在溫和條件下實(shí)現(xiàn)有效的氮還原反應(yīng)（NRR）對(duì)于工業(yè)氨合成而言是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。NRR通常伴隨著競(jìng)爭(zhēng)性的析氫反應(yīng)（HER），這會(huì)導(dǎo)致法拉第效率極低。我們系統(tǒng)地研究了由N摻雜石墨烯支撐的20種過(guò)渡金屬（TM）元素通過(guò)三種反應(yīng)途徑形成的原子對(duì)催化劑（APCs）的NRR反應(yīng)性。通過(guò)分析極限電位、吉布斯自由能和d波段中心之間的相關(guān)性，我們?cè)u(píng)估了TM APCs的活性趨勢(shì)。我們的計(jì)算表明，酶促途徑是TM APCs最適合的反應(yīng)途徑，這些APCs的固有活性趨勢(shì)可以通過(guò)基于d帶中心的描述符來(lái)確定，該描述符與鍵合/反鍵合軌道種群具有簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。此外，通過(guò)對(duì)電催化NRR過(guò)程中競(jìng)爭(zhēng)性HER的選擇性分析，篩選出了具有出色性能的NRR APCs。
Figure 1. 原子對(duì)催化劑（APC）原子模型以及氮還原反應(yīng)的酶促途徑和遠(yuǎn)端途徑（橋位和頂位）。
Figure 2. 費(fèi)米能級(jí)以上0−2 eV ε
d(0,2)的極限電勢(shì)和d帶中心的火山圖。
Figure 3. （a-g）在TM原子對(duì)和N
2之間的pCOHP。（h）示出了ICOHP與d波段中心ε
d(0,2)之間的相關(guān)性。藍(lán)色表示粘結(jié)作用，而青色表示抗粘結(jié)作用。
Figure 4. （a）Ru
2-N
6@G和（b）Ir
2-N
6@G態(tài)的密度，其中費(fèi)米能級(jí)設(shè)置為0。（c）N
2的π
*軌道和TM原子對(duì)與
μ2-
η1:
η1配位的
d軌道的相互作用圖。（d）電荷密度差和（e）吸附在Ru
2-N
6@G上N
2的自旋密度。
相關(guān)研究成果于2020年由貴州師范學(xué)院Mingsen Deng課題組，發(fā)表在J. Phys. Chem. Lett.（doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01450）上。原文：Atom-Pair Catalysts Supported by N?Doped Graphene for the Nitrogen Reduction Reaction: d?Band Center-Based Descriptor。
摘自《石墨烯雜志》公眾號(hào)：
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