Achieving efficient N2 electrochemical reduction by stabilizing the N2H* intermediate with the frustrated Lewis pairs

催化作用 沮丧的刘易斯对 选择性 电化学 过渡金属 化学 密度泛函理论 组合化学 路易斯酸 电催化剂 分子 吸附 Atom(片上系统) 纳米技术 材料科学 计算化学 物理化学 计算机科学 电极 有机化学 嵌入式系统
作者
Zhe Chen,Jingxiang Zhao,Yan Jiao,Tao Wang,Lichang Yin
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:66: 628-634 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2021.09.020
摘要

Electrocatalytic nitrogen reduction reaction (eNRR) with sustainable energy under ambient conditions represents an attractive approach to producing ammonia, but the design of the-state-of-the-art electrocatalyst with high efficiency and selectivity still faces formidable challenges. In contrast to traditional eNRR catalyst design strategies focusing on N≡N triple bond activation, we herein theoretically proposed an alternative strategy to improve eNRR performance via stabilizing the N2H* intermediate using catalysts with the frustrated Lewis pairs (FLPs), i.e., transition metal (TM) atoms and boron (B) atom co-doped 2D black phosphorus ([email protected]). Our density functional theory (DFT) results reveal that the TM atom donates electrons to the adsorbed N2 molecule, while B atom provides empty orbital to stabilize the adsorption of N2H* intermediate. This framework successfully identifies five promising candidates (i.e., [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] and [email protected]) with low theoretical limiting potentials (−0.60, −0.41, −0.45, −0.43 and −0.50 V, respectively) and high selectivity for eNRR. We believe that the intermediate stabilization strategy introduced in current work offers a new opportunity to achieve accelerated and cost-effective ammonia synthesis with electrocatalysis.
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