基于电化学氮还原法的数值模拟仿真研究

为了改善工业上获取氨资源的严苛工况,使大气中游离的氮气能够在室温条件下得到还原,为实现电化学催化还原的预期目标提供了一条有效途径.然而,电化学腐蚀及阴极材料自身衰退等问题的存在,很大程度上影响催化效率,因而激发了更具有潜质的电极材料设计工作.文中基于第一性原理计算,系统研究了单个过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo)原子掺杂到一种单层有机金属框架(MOF)上对氮气还原反应的催化性能.计算结果表明:单个钼(Mo)原子在掺杂后拥有最好的氮气还原活性表现,其中~*N_2质子化为~*NNH是整个反应过程的速率控制步骤,且对应的起始电位为0.24 V.此外,一种简单的描述符号(即~*NNH的吸附能)被发现可以用来很好预测不同体系的过电势大小,为理论计算筛选工作提供了便捷和理论指导.