Electrocatalytic ammonia synthesis is an attractive strategy for low-temperature ammonia production. Designing efficient electrocatalysts with high activity and selectivity for the nitrogen reduction reaction (NRR) remains a significant challenge. In this study, we demonstrate the feasibility of single-atom catalysts (SACs) for NRR using density functional theory (DFT) calculations, focusing on single transition metal (TM) atoms (from Sc to Zn) supported on nitrogen-doped carbon materials (CN4). The results show that N2 molecules can be efficiently activated on TMN4 in an end-on configuration, followed by the distal associative pathway to achieve NRR ammonia synthesis. Moreover, the calculation results of NRR reaction activity for ten TMN4 SACs reveal that CrN4 SAC exhibits high NRR activity with a limiting potential of −0.70 eV and greater reaction selectivity over the competing hydrogen evolution reaction (HER). Multiple-level descriptors (ΔG*N2, Bader charge, charge differential density, ELF, pCOHP, and PDOS) reveal the origin of NRR activity from the perspectives of energy and electronic structure. The dissolution potential and AIMD dynamic calculation further verify its structural stability. This work provides theoretical guidance for the rational design, screening, and development of efficient SACs for the NRR process.

中文翻译：

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负载 CN4 的单原子催化剂电催化氮还原氨的机理研究


电催化合成氨是低温氨生产的一种有吸引力的策略。为氮还原反应 （NRR） 设计具有高活性和选择性的高效电催化剂仍然是一项重大挑战。在这项研究中，我们使用密度泛函理论 （DFT） 计算证明了单原子催化剂 （SAC） 用于 NRR 的可行性，重点关注氮掺杂碳材料 （CN4） 负载的单过渡金属 （TM） 原子（从 Sc 到 Zn）。结果表明，N2 分子可以在 TMN4 上以端接构型高效激活，然后通过远端缔合途径实现 NRR 氨合成。此外，10 个 TMN4 SAC 的 NRR 反应活性计算结果表明，CrN4 SAC 表现出高 NRR 活性，极限电位为 -0.70 eV，并且比竞争性析氢反应 （HER） 具有更高的反应选择性。多级描述符 （ΔG*N2、Bader 电荷、电荷差分密度、ELF、pCOHP 和 PDOS） 从能量和电子结构的角度揭示了 NRR 活性的起源。溶出势和 AIMD 动力学计算进一步验证了其结构稳定性。这项工作为 NRR 过程高效 SAC 的合理设计、筛选和开发提供了理论指导。