Single-atom catalysts based on two-dimensional metalloporphyrin monolayers for ammonia synthesis under ambient conditions

催化作用 卟啉 化学 密度泛函理论 电化学 选择性 氨生产 单层 吉布斯自由能 Atom(片上系统) 计算化学 化学物理 物理化学 光化学 热力学 电极 有机化学 物理 嵌入式系统 生物化学 计算机科学
作者
Chuixiu Huang,Sheng‐Yao Lv,Cong Li,Bin Peng,Guoliang Li,Liming Yang
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:15 (5): 4039-4047 被引量:49
标识
DOI:10.1007/s12274-021-4009-4
摘要

We systematically investigated the catalytic performance of 3d, 4d, and 5d transition metals anchored onto two-dimensional extended porphyrin (PP) substrates as nitrogen reduction reaction (NRR) electrocatalysts, employing density functional theory (DFT) calculations and four-step high-throughput screening. Four novel metalloporphyrin (MPP, M = Zr, Nb, Hf, and Re) single-atom catalyst candidates have been identified due to their excellent catalytic performance (low onset potential, high stability, and selectivity). Through comprehensive reaction path search, the maximum Gibbs free energy changes for NRR on the ZrPP (enzymatic-consecutive hybrid path), NbPP (consecutive path), HfPP (enzymatic-consecutive hybrid path), and RePP (distal path) catalysts are 0.38, 0.41, 0.53, and 0.53 eV, respectively. Band structures, projected density of states, and charge/spin distributions show that the high catalytic activity is due to significant orbital hybridizations and charge transfer between N2 and MPP catalysts. We hope our work will promote experimental synthesis of these NRR electrocatalysts and provide new opportunities to the electrochemical conversion of N2 to NH3 under ambient conditions.
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