（纯计算）内蒙古大学李锋钰&韩冰JMI研究论文：双原子Fe配位调控及其NRR性能

内蒙古大学李锋钰&韩冰在JMI发表的研究论文通过第一性原理计算揭示了双原子Fe配位调控对NRR性能的影响，发现Fe3@N4C16的催化活性优于Fe3@C20，为设计新型NRR电催化剂提供了理论依据。研究背景与目标Haber-Bosch工艺合成氨存在高能耗和环境污染问题，电化学氮还原反应（eNRR）因其高效环保特性被视为潜在替代方案。单原子/双原子催化剂（SACs/DACs）因高原子利用率和活性备受关注，金属与二维载体的协同作用可调节电子结构并优化催化性能。研究聚焦于通过第一性原理计算设计M3@C20（M=Fe/Mo）体系，探索金属活性位点负载环境对NRR性能的影响。图1：优化后的2D Fe3@C20单层俯视与侧视图（A），Fe原子d轨道部分态密度（红色）及单层DOS（黑色），费米能级以红色虚线标示。研究方法与模型设计催化剂设计：构建M3@C20（M=Fe/Mo）模型，通过氮气活化程度筛选活性位点，排除Mo3@C20（因氮气吸附过强）。稳定性测试：确认Fe3@C20为优秀NRR电催化剂，进一步通过C→N替换（x=0~4）调控活性位点环境，重点研究Fe3@N4C16。电子结构分析：发现N替换后C/N原子的p带中心变化调节d带中心，优化反应能垒。关键计算结果Fe3@C20的NRR性能：预测极限电位为?0.59 V，显示良好活性和选择性。自由能图（图2）揭示*N2→*NNH为决速步骤，ΔG=1.23 eV。Fe3@N4C16的优化效应：N替换数量x=4时，催化活性显著提升，限制电位降至?0.45 V。N2吸附构型分析（图3）显示side-on吸附更稳定，*NN→*NNH步骤自由能变化（ΔG=0.87 eV）低于Fe3@C20。图2：Fe3@C20上不同eNRR机制（A、B）及自由能图（C、D），数据表示各基元步骤ΔG。电子结构调控机制p带中心与d带中心关联：N替换导致C/N的p带中心上移，间接调节Fe的d带中心，使其接近反应最优位置。协同作用强化：Fe2位点间电子相互作用增强，降低中间体吸附能，加速反应动力学。图3：Fe3@N4C16上N2的side-on（A）与end-on（B）吸附构型，及*NN→*NNH步骤自由能变化（C）与完整自由能图（D）。研究意义与创新点理论突破：首次揭示双原子Fe配位环境中N含量对NRR性能的定量影响，提出“p带中心-d带中心”协同调控机制。应用价值：为实验设计高效NRR催化剂提供理论指导，Fe3@N4C16体系具备潜在工业化应用前景。方法论贡献：结合DFT计算与电子结构分析，建立催化剂性能预测与优化框架。基金支持与期刊信息基金支持：国家自然基金（11964024）、内蒙古“草原英才”项目（12000-12102613）、内蒙大学青年科技人才培养项目（21200-5223708）。期刊信息：研究发表于Journal of Materials Informatics（JMI），该期刊聚焦材料信息学，由OAE出版公司主导创办，张统一院士任主编，刘兴军教授任执行主编。期刊主页：https://www.oaepublish.com/jmi联系邮箱：editorialoffice@jmijournal.com