Rational design of bimetallic MXene solid solution with High-Performance electrocatalytic N2 reduction

双金属片 催化作用 化学 密度泛函理论 水溶液 选择性 化学工程 氢键 材料科学 物理化学 计算化学 分子 有机化学 工程类
作者
Qiaojun Fang,Wei Zhang,Xianjie Zhang,Jiahao Wang,Shuang-te Zhao,Xuelong Zhang,Wen‐Xian Chen,Gui‐Lin Zhuang
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:640: 67-77 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.02.094
摘要

Electrocatalytic N2 reduction reaction (eNRR) was an effective alternative method for green synthesis of NH3. By combining the first-principal Density functional theory (DFT) calculations and Monte Carlo (MC) simulation, we systematacially investigated 24 types equal-ratio bimetallic MXene solid solution, involving 88 different catalysts. Our focus was on the catalytic performance of these materials in eNRR. The computational result indicate that MoW(3Mo) has high stability, selectivity (93.8 % against the hydrogen evolution reaction (HER)) and activity (UL = -0.26 V), which is significantly better than that of monometal Mo2CO2 and W2CO2. This improvement in catalytic properties is attributed to the unique electronic structure (e.g. d-band center, charge) of bimetallic MXene solid solution. In explicit solvent conditions, the microenvironment of hydrogen bond in aqueous liquid thermodynamically promotes the catalytic property for eNRR and reduce the catalytic property of HER side reaction, but the kinetic barrier is also increased due to the effect of the hydrogen-bond microenvironment on proton migration. Overall, the obtained bimetallic MXene solid solution MoW(3Mo) exhibits excellent catalytic performance in eNRR.
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