Single-atom catalytic N2 fixation with integrated descriptors on a novel π-π conjugated graphitic carbon nitride (g-C13N15) platform obtained by self-doping design: Prediction of ultrahigh activity and desirable selectivity

离域电子 选择性 催化作用 部分 共轭体系 石墨氮化碳 富勒烯 化学 兴奋剂 氮化碳 材料科学 组合化学 纳米技术 有机化学 光催化 光电子学 聚合物
作者
Yali Lu,Chunyao Fang,Qiang Zhang,Zongjin Hu,Yanlei Wu,Chenglong Shi,Jingcheng Xu,Yuanrui Li
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:595: 234030-234030 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2023.234030
摘要

Great enthusiasm in nitrogen reduction reaction (NRR) towards the robust design of efficient catalysts is being stimulated by a promising active moiety featured by metal-Nx, yet tackling the activity and selectivity dilemmas remains one of the most urgent and challenging tasks. Herein, based on a self-doping strategy and first-principles calculations, an emerging and stable graphitic carbon nitride, g-C13N15, is rationally proposed for the first time, and TM@g-C13N15 (TM = from Ti to Au) single-atom catalysts benefiting from delocalized π−π conjugated interactions between substituted C3N3 rings toward NRR are constructed. High-throughput "Four-Step" screening strategy helps Re@g-C13N15 stand out from 23 TM-centers quickly since the binding strength of the target *N2H and *NH2 adsorbates can be manipulated by Re to compromise. First-principles calculations reveal that Re@g-C13N15 possesses satisfactory selectivity and impressively, miserly energy consumption with a low limiting potential of −0.20/-0.31 V for side-on/end-on N2-adsorption. Also, good thermodynamic stability, large Re-diffusion barrier, outstanding electrochemical durability, and facile synthesis for Re@g-C13N15 ensure its implementations in ambient conditions. Particularly, good linear relationships between descriptors (ICOHP, Bader charge, bond length, d-band center, and spin moment) are established to describe/explain intrinsic activity trends/mechanism, bridging the relation between the intrinsic property and activity.
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