【CCL文章推荐】东莞理工学院王彪课题组：采用固定电势法探究氮掺石墨烯负载金属单原子在NRR中的电催化性能

近期，东莞理工学院王彪教授课题组等在Chin Chem Lett发表了题为Constant-potential simulation of electrocatalytic N2 reduction over atomic metal-N-graphene catalysts的研究文章（Doi: 10.1016/j.cclet.2024.110476）。东莞理工学院王三妹博士后为第一作者，周勇博士后、聂纯阳副研究员和王彪教授为本文共同通讯作者。

氨气作为化学工业中不可或缺的基础原料，在农业与工业领域展现出了巨大的应用需求。随着Habor-Bosch工艺固氮实现，温和条件下高效制氨成为研究热点。其中，电催化氮气还原反应（NRR）因其可再生、环保特性，成为常温常压下制氨的新焦点。当前，电催化机制的研究广泛采用电中性方法。在这一框架下，催化材料的Fermi能级会随着反应过程中吸附物的变化而动态调整。而在真实的电化学反应环境中，催化剂的费米能级实际上是被电极电位所固定的，这意味着催化剂会通过与电极之间的电荷交换而带电，且所带电荷量会随反应进程而波动 (J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 37, 17140–17148; J. Am. Chem. Soc. 145 (2023) 25352–25356)。因此，传统电中性方法的理论预测偏压与实验观测偏压之间存在差异。

在这项研究中，为了克服传统电中性方法的局限性，团队运用固定电势法评估了氮掺石墨烯负载的金属单原子催化剂（M₁/N-graphene, M₁ = Mo、W、Fe、Re、Ni、Co、V、Cr）在NRR中的电催化性能。结果显示，W₁/N-graphene以其低至-0.13 V的限制势脱颖而出，成为最具前景的NRR电催化剂。此外，由于W₁/N-graphene的费米能级高于电极电位，该体系在反应过程中始终保持正电荷。相比电中性方法，固定电势法能够更好地模拟真实的电催化反应环境。因此，这项研究不仅开发了一种有前景的NRR电催化剂，还加深了对电催化机制的理解。

图1. 恒定电势法(a)和电中性方法(b)计算的石墨烯(moiety 1)、W₁-N₃(moiety 2)、N_XH_y(moiety 3)的电荷变化。(c) 在500K下，W₁/N-graphene的稳定性。(d)金属第一电离能与N₂吸附自由能之间的关系。