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Polar atom-pair catalysts for electrochemical C–N coupling
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-12-11 , DOI: 10.1039/d4ta07606k Renyi Li, Jiao Zhang, Caimu Wang, Wei Guo
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-12-11 , DOI: 10.1039/d4ta07606k Renyi Li, Jiao Zhang, Caimu Wang, Wei Guo
The challenge of activating the inert dinitrogen molecule has greatly hindered the development of efficient catalysts for electrochemical C–N coupling. Herein, we propose a novel design idea of a polar B–V atom-pair catalyst (APC) embedded into two-dimensional (2D) g-CN (B–V@g-CN) for activating and polarizing the inert NN bond and accelerating the electrochemical C–N coupling process. Our work shows that B–V@g-CN is a promising electrocatalyst for the urea synthesis reaction with an ultra-low limiting potential (UL) of −0.21 V. The synergistic side-on adsorption configuration of N2 at the polar B–V dual-site triggers unbalanced electron transfer via a two-channel pathway, i.e., the σ donation–π backdonation of electron transfer through B–N and V–N bonds, which results in sufficient activation of the NN bond. The electronegativity difference between B and V atoms enables the polarization of non-polar N2. Protonation of *N2 to a *NH*NH intermediate further weakens the NN bond, which leads to a lower energy barrier for *NH*NH dissociation to 2*NH species (0.75 eV) than for the direct dissociation of *N2 (1.45 eV). Subsequently, the coupling of CO and 2*NH species generates the key urea precursor *NHCO*NH with a low barrier of 0.45 eV. Furthermore, the B–V@g-CN APC demonstrates good thermodynamic and electrochemical stability, as well as excellent dispersibility of its dual-active sites. The construction of polar non-metal/metal APCs in this work provides a new avenue for designing high-performance catalysts in energy conversion reactions.
中文翻译:
用于电化学 C-N 偶联的极性原子对催化剂
活化惰性二氮分子的挑战极大地阻碍了用于电化学 C-N 偶联的高效催化剂的开发。在此,我们提出了一种新的设计思路,将极性 B-V 原子对催化剂 (APC) 嵌入二维 (2D) g-CN (B-V@g-CN) 中,以活化和极化惰性 N N 键并加速电化学 C-N 耦合过程。我们的研究表明,B-V@g-CN 是一种很有前途的尿素合成反应电催化剂,具有 -0.21 V 的超低限位电位 (UL)。N2 在极性 B-V 双位点的协同侧向吸附构型通过双通道途径触发不平衡电子转移,即通过 B-N 和 V-N 键进行电子转移的σ供π回供,从而导致 N N 键的充分激活。B 和 V 原子之间的电负性差使非极性 N2 的极化成为可能。*N2 质子化为 *NH*NH 中间体进一步削弱了 N N 键,这导致 *NH*NH 解离为 2*NH 物质的能量势垒 (0.75 eV) 低于 *N2 的直接解离 (1.45 eV)。随后,CO 和 2*NH 物质的偶联产生了关键的尿素前驱体 *NHCO*NH,具有 0.45 eV 的低阻挡层。此外,B–V@g-CN APC 表现出良好的热力学和电化学稳定性,以及其双活性位点的优异分散性。这项工作中极性非金属/金属 APC 的构建为在能量转换反应中设计高性能催化剂提供了一条新途径。
更新日期:2024-12-11
中文翻译:
用于电化学 C-N 偶联的极性原子对催化剂
活化惰性二氮分子的挑战极大地阻碍了用于电化学 C-N 偶联的高效催化剂的开发。在此,我们提出了一种新的设计思路,将极性 B-V 原子对催化剂 (APC) 嵌入二维 (2D) g-CN (B-V@g-CN) 中,以活化和极化惰性 N N 键并加速电化学 C-N 耦合过程。我们的研究表明,B-V@g-CN 是一种很有前途的尿素合成反应电催化剂,具有 -0.21 V 的超低限位电位 (UL)。N2 在极性 B-V 双位点的协同侧向吸附构型通过双通道途径触发不平衡电子转移,即通过 B-N 和 V-N 键进行电子转移的σ供π回供,从而导致 N N 键的充分激活。B 和 V 原子之间的电负性差使非极性 N2 的极化成为可能。*N2 质子化为 *NH*NH 中间体进一步削弱了 N N 键,这导致 *NH*NH 解离为 2*NH 物质的能量势垒 (0.75 eV) 低于 *N2 的直接解离 (1.45 eV)。随后,CO 和 2*NH 物质的偶联产生了关键的尿素前驱体 *NHCO*NH,具有 0.45 eV 的低阻挡层。此外,B–V@g-CN APC 表现出良好的热力学和电化学稳定性,以及其双活性位点的优异分散性。这项工作中极性非金属/金属 APC 的构建为在能量转换反应中设计高性能催化剂提供了一条新途径。