
Citation: Yijing Gao, Han Zhuo, Yongyong Cao, Xiang Sun, Guilin Zhuang, Shengwei Deng, Xing Zhong, Zhongzhe Wei, Jianguo Wang. A theoretical study of electrocatalytic ammonia synthesis on single metal atom/Mxene[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(2): 152-159. doi: S1872-2067(18)63197-3

单原子负载型MXene用于电催化合成氨过程的理论计算
计算结果表明,在所有的MXene负载的过渡金属单原子上,氮气更倾向于一端吸附.根据吉布斯自由能的定义,负值显示这些催化剂具有良好的氮气活化性能,特别是铁基催化剂(-0.75eV),这就不难理解工业上广泛应用铁基催化剂.而负载不同的过渡金属对电催化合成氨的过电势具有一定影响.通过吉布斯自由能计算发现,该系列金属的过电势在0.68-2.33eV,Mo/Ti3C2O2需要的外加电压最少.这对实验上催化剂的选择具有一定的指导意义.同时,我们发现电催化合成氨过程有两个可能的决速步骤:氮气加氢生成NNH和NH2生成氨气.通过比较这两个步骤的吉布斯自由能可快速得到催化剂的过电势.
因此,我们可以得出结论,该系列MXene负载的过渡金属单原子催化剂能够有效地改变反应路径,免出现传统反应中氮氮键断裂的巨大能垒,从而有效降低了反应的过电势.这为实验上选择合适的催化剂提供了理论依据.并且,这种通过直接比较决速步骤的吉布斯自由能得到过电势的方法对电催化合成氨以及其他类似反应的催化剂筛选和理性设计具有指导意义.
English
A theoretical study of electrocatalytic ammonia synthesis on single metal atom/Mxene
-
-
[1] T. Travis, Chem. Ind., 1993, 581-585.
-
[2] W. Patkowski, W. Rarog-Pilecka, Przem. Chem., 2017, 96, 1042-1046.
-
[3] J. H. Montoya, C. Tsai, A. Vojvodic, J. K. Norskov, ChemSusChem, 2015, 8, 2180-2186.
-
[4] I. A. Amar, R. Lan, C. T. G. Petit, S. Tao, J. Solid State Electrochem., 2011, 15, 1845-1860.
-
[5] V. Kyriakou, I. Garagounis, E. Vasileiou, A. Vourros, M. Stoukides, Catal. Today, 2017, 286, 2-13.
-
[6] B. H. R. Suryanto, C. S. M. Kang, D. B. Wang, C. L. Xiao, F. L. Zhou, L. M. Azofra, L. Cavallo, X. Y. Zhang, D. R. MacFarlane, ACS Energy Lett., 2018, 3, 1219-1224.
-
[7] Y. Abghoui, A. L. Garden, J. G. Howat, T. Vegge, E. Skulason, ACS Catal., 2016, 6, 635-646.
-
[8] Y. Abghoui, E. Skulason, Catal. Today, 2017, 286, 78-84.
-
[9] I. Coric, P. L. Holland, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 7200-7211.
-
[10] J. G. Howalt, T. Bligaard, J. Rossmeisl, T. Vegge, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15, 7785-7795.
-
[11] Y. X. Chen, S. P. Chen, Q. S. Chen, Z. Y. Zhou, S. G. Sun, Electrochim. Acta, 2008, 53, 6938-6943.
-
[12] X. Zhang, D. F. Wu, D. J. Cheng, Electrochim. Acta, 2017, 246, 572-579.
-
[13] H. L. Dong, Y. Y. Li, D. E. Jiang, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 11392-11398.
-
[14] A. B. Hoskuldsson, Y. Abghoui, A. B. Gunnarsdottir, E. Skulason, ACS Sustain. Chem. Eng., 2017, 5, 10327-10333.
-
[15] J. Li, H. Zhou, H. Zhuo, Z. Wei, G. Zhuang, X. Zhong, S. Deng, X. Li, J. Wang, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 2264-2272.
-
[16] C. N. Cui, J. Y. Han, X. L. Zhu, X. Liu, H. Wang, D. H. Mei, Q. F. Ge, J. Catal., 2016, 343, 257-265.
-
[17] G. F. Chen, X. Cao, S. Wu, X. Zeng, L. X. Ding, M. Zhu, H. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 9771-9774.
-
[18] A. N. A. Anasthasiya, M. Khaneja, B. G. Jeyaprakash, J. Electron. Mater., 2017, 46, 5642-5656.
-
[19] S. M. Chen, S. Perathoner, C. Ampelli, C. Mebrahtu, D. S. Su, G. Centi, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2699-2703.
-
[20] F. Chen, X. Jiang, L. Zhang, R. Lang, B. Qiao, Chin. J. Catal., 2018, 39, 893-898.
-
[21] P. Hu, Z. Huang, Z. Amghouz, M. Makkee, F. Xu, F. Kapteijn, A. Dikhtiarenko, Y. Chen, X. Gu, X. Tang, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3418-3421.
-
[22] Y. B. Gu, X. L. Chen, Y. Y. Cao, G. L. Zhuang, X. Zhong, J. G. Wang, Nanotechnology, 2017, 28, 295403/1-295403/9.
-
[23] C. Zhang, W. Zhang, W. T. Zheng, Chin. J. Catal., 2018, 39, 4-7.
-
[24] X. B. He, F. X. Yin, H. Wang, B. H. Chen, G. R. Li, Chin. J. Catal., 2018, 39, 207-227.
-
[25] X. Y. Li, P. Cui, W. H. Zhong, J. Li, X. J. Wang, Z. W. Wang, J. Jiang, Chem. Commun., 2016, 52, 13233-13236.
-
[26] J. Zhao, J. X. Zhao, Q. H. Cai, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 9248-9255.
-
[27] Z. X. Wang, Z. G. Yu, J. X. Zhao, Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 12835-12844.
-
[28] Y. Y. Cao, Y. J. Gao, H. Zhou, X. L. Chen, H. Hu, S. W. Deng, X. Zhong, G. L. Zhuang, J. G. Wang, Adv. Theory Simul., 2018, 1, 1870012.
-
[29] S. Back, J. Lim, N. Y. Kim, Y. H. Kim, Y. Jung, Chem. Sci., 2017, 8, 1090-1096.
-
[30] R. P. Pandey, K. Rasool, V. E. Madhavan, B. Aissa, Y. Gogotsi, K. A. Mahmoud, J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 3522-3533.
-
[31] X. Zhang, J. C. Lei, D. H. Wu, X. D. Zhao, Y. Jing, Z. Zhou, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 4871-4876.
-
[32] X. Zhang, Z. H. Zhang, J. L. Li, X. D. Zhao, D. H. Wu, Z. Zhou, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 12899-12903.
-
[33] Y. J. Jiang, X. N. Zhang, L. J. Pei, S. Yue, L. Ma, L. Y. Zhou, Z. H. Huang, Y. He, J. Gao, Chem. Eng. J., 2018, 339, 547-556.
-
[34] L. Lorencova, T. Bertok, J. Filip, M. Jerigova, D. Velic, P. Kasak, K. A. Mahmoud, J. Tkac, Sensors Actuat. B, 2018, 263, 360-368.
-
[35] G. Y. Fan, X. J. Li, C. L. Xu, W. D. Jiang, Y. Zhang, D. J. Gao, J. Bi, Y. Wang, Nanomaterials, 2018, 8, 141/1-141/13.
-
[36] Y. Luo, G. F. Chen, L. Ding, X. Chen, L. X. Ding, H. Wang, Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.021.
-
[37] J. Peng, X. Chen, W. J. Ong, X. Zhao, N. Li, Chem, 2018, 5, 1-33.
-
[38] G. Kresse, J. Furthmuller, Comp. Mater. Sci., 1996, pp. 15-50.
-
[39] G. Kresse, J. Furthmuller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169-11186.
-
[40] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1998, 80, 891-891.
-
[41] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865-3868.
-
[42] P. E. Blöchl, Phys. Rev. B, 1994, 50, 17953-17979.
-
[43] H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 1976, 13, 5188-5192.
-
[44] S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys., 2010, 132, 154104/1-154104/9.
-
[45] K. Momma, F. Izumi, J. Appl. Crystallogr., 2011, 44, 1272-1276.
-
[46] J. Rossmeisl, A. Logadottir, J. K. Nørskov, Chem. Phys., 2005, 319, 178-184.
-
[47] O. Mashtalir, M. Naguib, V. N. Mochalin, Y. Dall'Agnese, M. Heon, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi, Nat. Commun., 2013, 4, 1716.
-
[48] M. Naguib, M. Kurtoglu, V. Presser, J. Lu, J. Niu, M. Heon, L. Hult-man, Y. Gogotsi, M. W. Barsoum, Adv. Mater., 2011, 23, 4248-4253.
-
[49] Y. Tong, M. He, Y. M. Zhou, X. Zhong, L. D. Fan, T. Y. Huang, Q. Liao, Y. J. Wang, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 2018, 29, 8078-8088.
-
[50] L. Meng, Y. L. Wang, L. Z. Zhang, S. X. Du, R. T. Wu, L. F. Li, Y. Zhang, G. Li, H. T. Zhou, W. A. Hofer, H. J. Gao, Nano Lett., 2013, 13, 685-690.
-
[51] A. D. Becke, K. E. Edgecombe, J. Chem. Phys., 1990, 92, 5397-5403.
-
[52] W. Tang, E. Sanville, G. Henkelman, J. Phys. Condens. Matter., 2009, 21, 7084204.
-
[53] J. X. Zhao, Z. F. Chen, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12480-12487.
-
[54] L. M. Azofra, C. Sun, L. Cavallo, D. R. Macfarlane, Chem.-Eur. J., 2017, 23, 8275-8279.
-
[55] J. Rittle, J. C. Peters, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 4243-4248.
-
[56] D. Bao, Q. Zhang, F. L. Meng, H. X. Zhong, M. M. Shi, Y. Zhang, J. M. Yan, Q. Jiang, X. B. Zhang, Adv. Mater., 2017, 29, doi: 10.1002/adma.2016014799.
-
-

计量
- PDF下载量: 23
- 文章访问数: 1671
- HTML全文浏览量: 271