Mechanismus der „Capture-Backdonation-Recapture“ zur Förderung der N2-Reduktion durch heteronukleare metallfreie Doppelatomkatalysatoren

Angesichts der zunehmend ernsthaften Energie- und Umweltkrise stellt die Entwicklung heteronuklearer metallfreier Doppelatomkatalysatoren eine potenzielle Strategie dar, um eine effiziente katalytische Stickstoffreduktion mit geringem Energieverbrauch und ohne Verschmutzung zu realisieren, da sie die Vorteile flexibler aktiver Stellen in Doppelatomkatalysatoren kombinieren kann, während sie gleichzeitig umweltfreundlich ist und eine hohe Faraday-Effizienz in metallfreien Katalysatoren aufweist. Gemäß dem bestehenden Mechanismus verringern die endlichen Orbitale anderer unedler Atome, außer dem Boratom, die Möglichkeit der metallfreien Katalyse und behindern die Entwicklung von heteronuklearen metallfreien Doppelatomkatalysatoren. Hier schlagen wir einen neuen Mechanismus der „Capture-Backdonation-Recapture“ vor, der geschickt die Elektroneneinfang-Backdonation-Rekuperation zwischen Bor, dem Substrat und anderen unedlen Elementen nutzt, um die oben genannten Probleme zu lösen. Basierend auf diesem Mechanismus werden mittels der ersten Prinzipien Berechnungen die Materialstruktur, die Adsorptionsenergie, die katalytische Aktivität und die Selektivität von 36 Katalysatoren systematisch untersucht, um ihre katalytische Leistung zu bewerten. B-Si@BP1 und B-Si@BP3 werden aufgrund ihrer guten katalytischen Leistung und der niedrigen Grenzpotenziale von -0,14 und -0,10 V ausgewählt. Gleichzeitig wird der Mechanismus der „Capture-Backdonation-Recapture“ auch durch die Analyse der Ergebnisse der Adsorptionsenergie und des Elektronentransfers verifiziert. Unsere Arbeit erweitert die Ideen und legt die theoretische Grundlage für die Entwicklung heteronuklearer metallfreier Doppelatomkatalysatoren in der Zukunft.