华北电力大学Zhengyang Gao课题组--石墨烯负载双原子催化剂将氮电还原成氨的理论研究

开发具有高催化活性的氮还原反应（NRR）的电催化剂是加速电催化固氮应用的关键步骤。本文构造了八种负载有石墨烯基衬底的双原子铁催化剂（Fe-TM_DA/GS，TM=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu），用于将氮电还原为氨。从轨道杂交和电子转移的角度研究了Fe过渡金属二聚体在基体上的键合机理。基于对反应路径和吉布斯自由能变化的分析，NRR的电位确定步骤是第一H⁺/e^-对的转移过程。Fe-Ti_DA/GS在八种Fe-TM_DA/GS中具有最高的NRR催化活性，吉布斯能量变化为0.88 eV。通过对电子密度差、能带结构和功函数的分析，电子转移是影响氮吸附的主要因素，第二金属原子通过促进氮与石墨烯表面之间的电子转移提高了NRR的催化活性。这项理论研究为开发用于NRR的高效电催化剂提供了新见识。

Figure 1. Fe-TM_DA/GS的结构.

Figure 2. AIMD模拟中的八种Fe-TM/GS催化剂的能量和键长。

Figure 3. Fe-TM_DA/GS的PDOS

Figure 4. Fe-TM_DA/GS上零和施加电势下NRR的吉布斯自由能图。

Figure 5. N₂在吸附过程中的电子转移。

相关研究成果于2020年由华北电力大学Zhengyang Gao课题组，发表在Electrochimica Acta（doi.org/10.1016/j.electacta.2020.135667）上。原文：Theoretical study on double-atom catalysts supported with graphene for electroreduction of nitrogen into ammonia。