不对称氢化驱动的钒锚定N3掺杂石墨烯催化剂在氮还原反应中的活性与选择性协同提升

本文提出了一种不对称氢化策略，通过调控钒锚定N3掺杂石墨烯催化剂（V@Hx-N3G）的局部sp2/sp3杂化环境，实现了电催化氮还原反应（NRR）活性（极限电位低至-0.04 V vs. SHE）与选择性（较未氢化体系提升45.6%）的协同优化，为单原子催化剂（SACs）设计提供了新思路。

　　

Highlight

不对称氢化诱导的电子结构调控使V@H_5A-N₃G催化剂在0.89 V外加电位下实现-0.04 V vs. SHE的超低氮还原（NRR）极限电位，同时将析氢反应（HER）选择性抑制效率提升45.6%。这种sp²/sp³杂化界面的独特电子再分布，通过d带中心下移优化了N₂吸附强度，突破了传统催化剂活性与选择性的权衡困境。

Calculation details and methods

采用维也纳第一性原理模拟软件包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，结合恒定电位法评估催化性能。使用RPBE泛函和DFT-D3修正描述电子相互作用，设置550 eV截断能确保计算精度。

Structures, stabilities and electronic properties of V@H_X-N₃G

通过锯齿形（zigzag）和扶手椅形（armchair）两种氢化模式构建不对称氢化基底（图1a-b）。V@H_5A-N₃G表现出最佳结构稳定性，其钒活性位点电荷密度重排显著降低了N≡N三键解离能垒。

Conclusion

不对称氢化策略通过精准调控钒位点的局部配位微环境，实现了NRR催化剂"高活性-高选择性"的协同增益，为设计新一代能源转化催化剂提供了理论范式。