调控金属-载体效应激活Fe3单簇高效电催化硝酸盐还原反应：DFT研究揭示氨合成新策略

本文通过密度泛函理论（DFT）系统研究了Fe3簇负载于10种碳基载体（Fe3/g-X）在电催化硝酸盐还原反应（NO3RR）中的性能，发现Fe3/g-gra在常温下具有-0.51 V的低极限电位（UL），能高选择性合成氨（NH3），并揭示了金属-载体效应（MSE）对催化活性与选择性的调控机制，为绿色氨合成催化剂设计提供了理论指导。

　　

Highlight

本研究通过精确调控金属-载体效应（MSE），揭示了Fe₃单簇催化剂在电催化硝酸盐还原反应（NO₃RR）中的卓越性能。Fe₃/g-gra体系展现出-0.51 V的超低极限电位（U_L），并能选择性抑制副产物NO、NO₂和析氢反应（HER），实现高效氨（NH₃）合成。电子结构分析表明，其高活性源于载体与Fe₃簇的协同电子转移。

Structural stability

图1(a)展示了Fe₃/g-X体系的结构及NO₃^-还原为NH₃的反应式（NO₃^- + 9H⁺ + 8e^- → NH₃ + 3H₂O）。通过三步筛选策略（稳定性、选择性、活性）发现，Fe₃/g-gra表面仅轻微褶皱（图1(b)），表明其结构稳定性优异。

Conclusion

Fe₃/g-gra在NO₃RR中表现最佳，其热力学吸附能力与动力学能垒优化共同保障了NH₃的高效合成。该研究颠覆了“氮掺杂必不可少”的传统认知，为单簇催化剂设计提供了新范式。