N-heterocyclic carbene coordinated single atom catalysts on C2N for enhanced nitrogen reduction

卡宾 催化作用 氮气 氮原子 还原(数学) Atom(片上系统) 化学 光化学 药物化学 有机化学 计算机科学 戒指(化学) 并行计算 几何学 数学
作者
Wenming Lu,Dian Zheng,Daifei Ye,Jiasheng Peng,Xiaxia Gong,Jing Xu,Wei Liu
出处
期刊:Journal of materials informatics [OAE Publishing Inc.]
被引量:1
标识
DOI:10.20517/jmi.2024.65
摘要

Single-atom catalysts (SACs) with N-heterocyclic carbene (NHC) coordination provide an effective strategy for enhancing nitrogen reduction reaction (NRR) performance by modulating the electronic properties of the metal active sites. In this work, we designed a novel NHC-coordinated SAC by embedding transition metals (TM) into a two-dimensional C2N-based nanomaterial (TM@C2N-NCM) and evaluated the NRR catalytic performance using a combination of density functional theory and machine learning. A multi-step screening identified eight high-performance catalysts (TM = Nb, Fe, Mn, W, V, Ta, Zr, Ti), with Nb@C2N-NCM showing the best performance (limiting potential = -0.29 V). All catalysts demonstrated lower limiting potential values compared to their TM@graphene-NCM counterparts, revealing the effectiveness of the C2N substrate in enhancing catalytic activity. Machine learning analysis achieved high predictive accuracy (coefficient of determination = 0.91; mean absolute error = 0.19) and identified final step protonation (S6), Mendeleev number (Nm), and d-electron count (Nd) as key factors influencing catalytic performance. This study offers valuable insights into the rational design of NHC-coordinated SACs and highlights the potential of C2N-based nanomaterials for advancing high-performance NRR electrocatalysts.
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