过渡金属修饰的PtS2催化剂在电催化还原硝酸盐过程中的作用机制与催化性能研究

《ChemPhysChem》：Mechanistic Insights and Catalytic Performance of Transition-Metal-Decorated PtS2 Catalysts for Electrocatalytic Reduction of Nitrate

　　

摘要

电催化还原有害的水污染物硝酸盐为氨（NH₃）的生成提供了一种高效且环保的方法，这是哈伯-博施工艺（Haber–Bosch process）的可持续替代方案。然而，由于对极其复杂的硝酸盐还原反应（NO₃RR）及其对氨的选择性机制缺乏了解，因此很难开发出可靠的催化剂。我们通过第一性原理计算全面研究了基于PtS₂的单原子催化剂（SAC）在NO₃RR反应中的活性和选择性。根据催化剂的稳定性、关键中间体的吸附能以及氢气释放反应（HER）的抑制情况，选择了两种高效的催化剂体系Ni/PtS₂和Cu/PtS₂，它们的极限电位分别为?0.18 V和?0.21 V，显示出作为NO₃RR电催化剂的巨大潜力。机制分析表明，N端路径具有最低的能量障碍，最适合氨的生成。部分态密度和电荷转移的研究进一步证实了催化剂对硝酸盐的有效活化作用。此外，还进行了从头算分子动力学模拟（ab initio molecular dynamics simulations）以检验Ni/PtS₂和Cu/PtS₂的热稳定性。我们的研究结果揭示了在常温条件下设计更有效催化剂的原则，并提出了从硝酸盐生成氨的高效方法。

图形摘要

通过第一性原理计算，系统筛选了采用过渡金属修饰的PtS₂单原子催化剂在硝酸盐还原为氨方面的性能。Ni/PtS₂和Cu/PtS₂的极限电位分别为?0.18 V和?0.21 V，并且对氨的选择性良好。电子结构、电荷转移和AIMD分析揭示了它们催化活性和稳定性的原因。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的支持数据可向通讯作者索取。