Boron-Functionalized Organic Framework as a High-Performance Metal-Free Catalyst for N2 Fixation

催化作用 共价键 材料科学 带隙 金属 组合化学 化学 无机化学 有机化学 光电子学 冶金
作者
Wenyang Zhou,Haoming Shen,Huanhuan Xie,Yiheng Shen,Wei Kang,Qian Wang,Yoshiyuki Kawazoe,P. Jena
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (50): 12142-12149 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c02502
摘要

Inspired by the recently synthesized covalent organic framework (COF) containing triquinoxalinylene and benzoquinone units (TQBQ) in the skeleton, we study the stability and properties of its two-dimensional analogue, TQBQCOF, and examine its potential for the synthesis of ammonia using first-principles calculations. We show that the TQBQCOF sheet is mechanically, dynamically, and thermally stable up to 1200 K. It is a semiconductor with a direct band gap of 2.70 eV. We further investigate the electrocatalytic reduction of N2to NH3on the Boron-functionalized TQBQCOF sheet (B/TQBQCOF). The rate-determining step of the catalytic pathways is found to be *N-N → *N-NH for the distal, alternating, and enzymatic catalytic mechanisms, with the corresponding overpotentials of 0.65, 0.65, and 0.07 V, respectively. The value of 0.07 V is the lowest required voltage among all of the N2 reduction catalysts reported so far, showing the potential of B/TQBQCOF as a metal-free catalyst to effectively reduce N2to NH3.
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