在电化学氮还原(NRR)合成氨过程中,为了认识真实水环境对过渡金属掺杂氮碳材料催化NRR活性的影响,并筛选出实际催化性能最佳的构型,本研究通过密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)相结合的方法,对一系列不同配位形式的过渡金属掺杂氮碳催化剂(TMN_(x)C_(y), TM=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn;x=1~4;y=4-x,总共40种构型)催化NRR的热力学稳定性和实际氮还原催化活性进行了系统研究.计算结果表明,本工作所研究的40种催化剂结构均具有较高的热力学稳定性,可作为实际的NRR候选催化剂.其中,利用隐性+显性水溶剂模拟真实水环境时,过渡金属V掺杂形成的VN3C1结构催化NRR酶机制过程的最大吉布斯自由能变值仅为0.35eV(在U=0 V vs. RHE时),表现出最佳的NRR催化性能.总体而言,本研究采用DFT与AIMD相结合的方法,深入地阐述了TMN_(x)C_(y)催化剂的实际NRR催化过程,为实验过程做出了更为贴切的理论预测.
