π‐π Conjugated g‐C 16 N 19 Skeleton‐Supported Single‐Atom Catalyst for Nitrogen Reduction Reaction: A “Lock and Key” Coevaluation of Activity and Selectivity Involved in Constant Potential and pH Effect

化学 催化作用 无机化学 电极 共轭体系 选择性 密度泛函理论 氧化还原 基质(水族馆) 可逆氢电极 分子 电极电位 氮气 氮化碳 电催化剂 氮化物 电子结构 反应机理 电化学 反应速率常数 计算化学 物理化学 多相催化 势能 纳米颗粒 光化学 活化能 工作(物理) 矩形势垒 石墨氮化碳
作者
Yali Lu,Zongjin Hu,Qiang Zhang,Chenglong Shi,Qingjun Zhou,Yu-Ling Song
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:31 (65): e02611-e02611 被引量:1
标识
DOI:10.1002/chem.202502611
摘要

The efficient development of electrocatalysts for the nitrogen reduction reaction (NRR) under ambient conditions has been greatly challenging due to the high stability of the N≡N bond and the competitive interference from the hydrogen evolution reaction (HER). This work innovatively designs a graphitic carbon nitride substrate (g-C16N19) with a super-large pore structure based on the self-doping strategy and first-principles calculations, and constructs TM@g-C16N19 (TM = Ti ∼ Au) single-atom catalyst systems. By establishing a "Four-Step" screening model, it is found that W@g-C16N19 exhibits the best NRR catalytic performance, with an ultralow limiting potential (UL) of -0.23 V. Combining electron structure analyses such as charge density difference, ICOHP value, Bader charge, and spin magnetic moment, the micro-mechanism of W@g-C16N19 effectively activating the σ/π bonds of N2 molecules through strong d-p orbital hybridization is revealed. Furthermore, based on the pH- and potential-dependent adsorption-free energy results calculated by the constant potential model, pH-potential coupling analysis shows that the configuration has a decisive influence on activity: the E-I/S-V mode dominates in alkaline media, while the E-O/S-O pathway is predominant under acidic conditions. In the E-I configuration, the energy barrier of the rate-determining step (PDS) of NRR decreases with the decrease of the electrode potential; conversely, the energy barrier of the PDS of NRR in the E-O/S-V/S-O configuration increases with the decrease of the electrode potential.
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