Mechanistic Understanding of the Electrocatalytic Nitrate Reduction Activity of Double-Atom Catalysts

催化作用 选择性 硝酸盐 化学 组合化学 无机化学 纳米技术 电化学 材料科学 有机化学 物理化学 电极
作者
Nadaraj Sathishkumar,Hsin‐Tsung Chen
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (2): 994-1005 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c05668
摘要

Electrochemical nitrate reduction reaction (NO3RR) has promise for both nitrogen pollution management and low-temperature ammonia production instead of the conventional Haber–Bosch process. Nevertheless, it relies on electrocatalysts with controllable reaction pathways and product selectivity. Herein, we design novel homonuclear double-atom catalysts (DACs) supported on N-doped graphene (TM2/N6-G) as potential NO3RR catalysts using first-principles calculations. The results reveal that Cr2/N6-G, Mn2/N6-G, and Cu2/N6-G serve as the most promising NO3RR catalysts, as they exhibit stability, excellent activity, high selectivity (faradic efficiency of >61.28%), and low limiting potentials (−0.46, −0.45, and −0.36 V for Cr2/N6-G, Mn2/N6-G, and Cu2/N6-G, respectively). In addition, multiple-level descriptors and volcano plots provide insight into the origin of NO3RR activity and enable fast prescreening among numerous candidates. Furthermore, considerable potential energy barriers are found in the formation of byproducts NO2, NO, and N2O, validating their high selectivity. The conversion of nitrate to ammonia is more competitive than the hydrogen evolution reaction on Cr2/N6-G, Mn2/N6-G, and Cu2/N6-G possessing a lower limiting potential. This study provides a guideline for the rational design of highly active, selective, and durable electrocatalysts in NO3RR.
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