缺陷氮化硼负载双原子催化剂在氮还原（NRR）与尿素合成中的双功能电催化机制与性能研究

本综述系统探讨了基于缺陷氮化硼（BN）载体负载的双原子催化剂（DACs）在电催化氮还原反应（NRR）和尿素合成中的双功能机制与应用前景。研究通过密度泛函理论（DFT）计算揭示Fe-Fe@BN与Fe-Co@BN体系具有超低极限电位（–0.43 V和–0.39 V），可打破NNH2与NHNH吸附能的线性缩放关系，并实现CO插入驱动C–N耦合，为可持续氮固定和尿素合成提供了新策略。

　　

Highlight

通过密度泛函理论（DFT）计算，我们发现新型双功能M₁M₂@BN电催化剂在不同条件下表现出卓越的催化性能：既可将N₂高效还原为氨（NH₃），也可合成尿素（NH₂CONH₂）。其中Fe-Fe@BN和Fe-Co@BN具有超低的极限电位（分别为–0.43 V和–0.39 V），显著提升氮还原反应（NRR）活性。

Computational details

我们结合密度泛函理论（DFT）和投影缀加波（PAW）方法，在VASP软件包中完成第一性原理计算。交换关联泛函采用PBE形式的广义梯度近似（GGA），范德华作用通过DFT-D3方法进行校正。

Structures of electrocatalysts

我们选用4×4 h-BN超胞模型，并在z方向设置约20 ?真空层以避免周期性相互作用。通过系统研究锚定在缺陷h-BN单层上的非贵金属（Fe、Co、Ni、Cu、Sn），发现双原子催化剂（DACs）具有更丰富的活性中心，显著提升NRR催化活性。

Conclusions

本研究通过DF计算系统探讨了BN负载单原子（SACs）与双原子催化剂（DACs）在氮还原增值反应中的电催化性能与机制。结果表明，M₁M₂@BN通过“电荷接受-捐赠”机制高效吸附并活化N₂分子，且Fe-Fe@BN与Fe-Co@BN在抑制析氢反应（HER）的同时可实现C–N耦合，为氮的高值化转化提供了新途径。