氧官能团MXenes用于电催化合成氨的理论筛选

摘要

电催化合成氨技术以绿色可再生的电能为驱动力,通过在室温条件下改变外加电压来克服速控步能垒,被认为是一种取代哈伯工艺的潜在选择.然而,该技术存在法拉第效率较低、氨气产率不高等问题.因此,设计高效的电合成氨催化剂是目前亟待解决的关键问题.氧官能团的二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)由于具有独特的几何结构、高导电性和表面易调变等特点,在全水解、碳转化、氧还原或固氮等电催化过程中应用十分广泛.其中,表面氧官能团不饱和覆盖的MXenes材料的电催化合成氨性能较好,这是因为适量的氧空位能够调节活性中心的电荷分布,从而优化关键中间体的结合强度;同时,氧空位的存在为反应提供了足够的活性位点.然而,氧官能团MXenes家族庞大,种类众多,如何从中筛选出合适的合成氨电催化剂尚且缺乏理论指导.本文设计了一系列氧官能团的二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)作为合成氨电催化剂,并通过密度泛函理论从稳定性、选择性和活性角度出发提出了一套较完善的筛选流程.以纯MXenes表面覆盖17/18氧官能团所需的极限电位来判断氧官能团MXenes的稳定性.通过对催化剂上氮气分子和氢原子的吸附行为进行比较来证明其选择性.通过比较潜在热力学决速步的吉布斯自由能(包括G_(N2-NNH),G_(NH-NH_(2))和G_(NH_(2)-NH3))快速获得反应所需的极限电位,可以快速筛选出最佳催化剂.在此基础上,通过吉布斯自由能计算,完整分析了Nb_(3)C_(2)O_(x)上电催化合成氨的反应机理并利用催化性能来验证筛选的准确性.计算结果表明,Nb_(3)C_(2)O_(x)催化剂上的热力学决速步为*NH_(2)加氢,吉布斯自由能仅上升了0.45 eV,与筛选结果一致.此外,结合套索算法,回归了氧官能团MXenes电催化合成氨性能Gx的表达式,探寻了催化活性来源.同时,由吸附能组成的描述符被证明是描述热力学决速步吉布斯自由能的重要变量.