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

催化作用 还原(数学) 沮丧的刘易斯对 电化学 化学 路易斯酸 材料科学 物理化学 数学 电极 有机化学 几何学
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:22
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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