J. Power Sources:新型π-π共轭石墨烯碳氮化物(g-C13N15)上单原子催化N2固定:高活性与选择性预测

成果介绍

J. Power Sources上海理工大学陆亚利&张强: 利用自掺杂设计在新型π-π共轭石墨碳氮（g-C₁₃N₁₅）平台上整合描述符的单原子催化氮气固定：预测其超高催化活性与理想选择性.

本研究提出新型石墨氮化碳g-C₁₃N₁₅材料通过独特的原子排列实现优异的稳定性，该材料的导电性来源于C₃N₃环被取代后形成的离域π−π共轭相互作用，为过渡金属（TM）锚定点的识别提供了充足空间和可靠位置信息，为设计高性能NRR单原子催化剂奠定基础。本研究采用高通量“四步”筛选策略, 从23种过渡金属中筛选出了Re为最佳，筛选基于调节对N₂H和NH₂吸附物的结合强度中Re发挥关键作用。第一性原理计算显示Re@g-C₁₃N₁₅不仅选择性优良，还具有低能耗特点，适用于侧对/端对的N₂吸附，展现出良好的电化学耐久性和易于合成特性，确保了其在环境条件下的实际应用潜力。本研究还建立了描述符之间的良好线性关系，包括ICOHP、Bader电荷、键长、d带中心和自旋矩等，这些不仅解释了NRR的活性机制，也展示了TM@g-C₁₃N₁₅的本征性质。

图文导读

摘要图：N₂还原为NH₃

图1.TM@g-C13N15的结构和稳定性。

图2. TM@g-C13N15上N2的吸附和活化。

图3.从TM@g-C13N15候选物中筛选高活性NRR电催化剂。

图4. TM@g-C₁₃N₁₅的活化趋势、活化起源和设计指南。

图5. NRR活动起源的综合描述符。

图6. Re@g-C₁₃N₁₅的电子性质的关系。

图7.Re@g-C₁₃N₁₅的催化来源。

文献信息

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

(J. Power Sources，2024，DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.234030)

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.234030