Vacancy Defect-Assisted Enhanced Nitrogen Fixation in Metal-Free 2D Orthorhombic Boron Nitride: Insights from Nonadiabatic Molecular Dynamics Simulations

正交晶系 氮化硼 材料科学 空位缺陷 分子动力学 金属 氮气 氮化物 固氮 化学物理 计算化学 纳米技术 结晶学 化学 冶金 晶体结构 有机化学 图层(电子)
作者
Subhash Kumar,Atish Ghosh,Biplab Goswami,Pranab Sarkar
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:: 8311-8320
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c02032
摘要

The photocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is a promising approach for green and sustainable ammonia (NH3) production under ambient conditions. However, the design of highly efficient photocatalysts remains a significant challenge owing to the inertness of N2 molecules, complex reaction kinetics, and substantial energy barriers. In this work, we investigate the catalytic mechanism and real-time photocarrier dynamics of NRR on pristine and defect-engineered orthorhombic boron nitride (o-B2N2), a metal-free and environmentally friendly 2D semiconductor. Using density functional theory (DFT) and time-dependent ab initio nonadiabatic molecular dynamics (NAMD) simulations, we systematically studied the electronic structure, optical absorption, free-energy profile, and dynamics of charge carrier recombination of both pristine and vacancy-defective o-B2N2. Our results demonstrate that the introduction of a double vacancy (DV-BN) into o-B2N2 significantly widens the band gap, prolongs the electron-hole recombination time from 2.18 ns (pristine) to 3.15 ns, and markedly improves the photocatalytic activity toward NRR. These findings demonstrate the potential of o-B2N2 as an efficient, low-cost photocatalyst for sustainable ammonia production.
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