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Theoretical Screening of 2D Materials as High-Efficiency Catalysts for Energy Conversion and Storage Applications

Xiao, Yi (2022):
Theoretical Screening of 2D Materials as High-Efficiency Catalysts for Energy Conversion and Storage Applications. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00022564,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Theoretical Screening of 2D Materials as High-Efficiency Catalysts for Energy Conversion and Storage Applications
Language: English
Abstract:

This Ph.D. thesis focuses on the exploration and design of new electrocatalysts; the theoretical screening and establishment of new high-efficiency catalysts for electrochemical reactions on 2D materials is based on extensive research, which provides a new route for designing heterogeneous catalysis and paves the way for the development of better electrochemical energy storage and conversion. Theoretical screening focuses on designing more selective, stable, and catalytically active electrocatalysts at a lower cost and finally replace commonplace catalysts. Achieving this requires sufficient theoretical knowledge of how a catalyst functions and works, including the active sites, reaction mechanisms, and expected products. The ultimate goal is to have a sufficient understanding of the significant influencing factors that determine the performance of a catalyst, which can be evaluated using the binding energy of the intermediates or D band center as descriptors. However, it is challenging to provide detailed information on reaction mechanisms using only experimental techniques. Extensive theoretical screening based on density functional theory (DFT) approaches has been employed to obtain basic guidelines for catalyst design. In this thesis, the electrocatalytic mechanisms of some representative electrochemical reactions are taken as examples to comprehensively analyze the present situation in terms of electrocatalyst technology that is to be used for application in energy storage and conversion devices, such as the oxygen reduction reaction (ORR) in fuel cells, carbon dioxide reduction (CO2 RR) in capturing CO2 , nitrogen reduction (NRR) in nitrogen fixation, and the nitric oxide (NO) reduction of ammonia (NORR) on two-dimensional (2D) materials. Theoretical screening is utilized to summarize the detailed design of the electrocatalyst. The understanding of 2D materials as catalysts for electrochemical catalysis can be broadened from various perspectives. The theoretical screening method guides the further development and discovery of highly efficient and inexpensive electrochemical catalysts, which can help confirm the preferable mechanism path to develop the control step of a reaction system. Achieving efficient catalytic activity for electrochemical reactions in promising future catalysts requires people to focus on highly flexible active sites, sufficient activity, selectivity, and a large species. Here, several great and novel 2D materials are considered as catalysts for electrochemical reduction, including the graphene family, 2D metal-organic framework M3 (2,3,6,7,10,11-hexaiminotriphenylene)2 [M3 (HITP)2], 2D transition metal carbides and carbonitrides (MXenes), and the novel 2D material MBenes that are based on boron analogs of MXenes. Our results suggest that these 2D materials can achieve high activity and selectivity in electrochemical reactions under extensive theoretical screening. The family of a single transition metal atom nitrogen co-coordination (MN4)-embedded graphene catalyst is known for its excellent activity, selectivity, and high atomic efficiency in the oxygen reduction reaction (ORR), and systematic theoretical research has proved that ORR works along a complete four-electron transfer pathway in acidic conditions, indicating that direct hydrogenation pathways are preferred over the O2 dissociative mechanism in ORR. Furthermore, 2D metal-organic frameworks M3 (HITP)2 and 2D transition metal carbides (MXenes) have been proven to possess high activity and low overpotentials when used for carbon dioxide electrochemical reduction reactions (CO2 RR). We performed density functional theory (DFT) calculations combined with the theoretical screening method and found that both 2D MOF and MXene materials are promising electrocatalysts for reducing CO2 to produce C1 hydrocarbons. Finally, 2D Metal Boride (MBenes) catalysts have the significant catalytic potential for the electroreduction of CO2 to CH4 ; MBenes are also great prospects for application in efficient electrocatalysts with high activity and high selectivity for the nitrogen reduction reaction (NRR) and nitric oxide reduction (NORR). 2D MBene catalysts have a low limiting potential, and their high selectivity is particularly desirable. Still, challenges surrounding the inadequate understanding of the catalytic mechanism need to be met if these materials are used commercially. To reduce nitric oxide to ammonia by electrochemical conversion as an efficient approach to solving air pollu tion, MBene materials are an attractive electroreduction 5 catalyst with which ammonia can be synthesized from nitric oxide (NO) in a process driven by renewable energy, such as wind and solar power. One promising strategy is the use of the Haber–Bosch process to synthesize ammonia under ambient conditions. Ammonia synthesis depends on the fixation of industrial nitrogen. It is important that the synthesis of chemicals and fertilizers while removing NO to solve air pollution is attractive and challenging in electrocatalysis. Current research generally focuses on these issues separately. However, the direct electrochemical reduction of N2 to NH3 is seldom mentioned. We propose a new electrocatalyst, metal boride (MBene), as a promising candidate catalyst for achieving the direct electroreduction of N2 to NH3. Therefore, our study evaluates a novel 2D material for use as a high-efficiency metal boride (MBene) electrocatalyst that can fix chemical nitrogen and remove NO, purifying exhaust gas. MBenes are also an effective alternative to the Haber–Bosch process currently used to synthesize ammonia.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Dissertation konzentriert sich auf die Erforschung und Gestaltung neuer Elektrokatalysatoren; das theoretische Screening und die Etablierung neuer hocheffizienter Katalysatoren für elektrochemische Reaktionen auf 2D-Materialien basiert auf umfangreicher Forschungen, die einen neuen Weg für die Gestaltung der heterogenen Katalyse eröffnen und den Weg für die Entwicklung besserer elektrochemischer Energiespeicherung und -umwandlung ebnen. Das theoretische Screening konzentriert sich auf die Entwicklung selektiverer, stabilerer und katalytisch aktiverer Elektrokatalysatoren zu geringeren Kosten, um herkömmliche Katalysatoren zu ersetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein ausreichendes theoretisches Wissen darüber erforderlich, wie ein Katalysator funktioniert und arbeitet, einschließlich der aktiven Stellen, Reaktionsmechanismen und der erwarteten Produkte. Das ultimative Ziel ist ein ausreichendes Verständnis der signifikanten Einflussfaktoren, die die Leistung eines Katalysators bestimmen, die anhand der Bindungsenergie der Zwischenprodukte oder des D-Band-Zentrums als Deskriptoren bewertet werden können. Es ist jedoch äußerst schwierig, allein mit experimentellen Techniken detaillierte Informationen über Reaktionsmechanismen zu erhalten. Ein umfangreiches theoretisches Screening, das auf Ansätzen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) basiert, wurde eingesetzt, um grundlegende Richtlinien für das Katalysatordesign zu erhalten. In dieser Arbeit werden die elektrokatalytischen Mechanismen einiger repräsentativer elektrochemischer Reaktionen als Beispiele herangezogen, um die gegenwärtige Situation in Bezug auf die Elektrokatalysatortechnologie umfassend zu analysieren, die für die Anwendung in Energiespeicher- und -umwandlungsgeräten verwendet werden soll, wie z. B. die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) in Brennstoffzellen, die Kohlendioxidreduktion (CO2RR) bei der Abscheidung von CO2, die Stickstoffreduktion (NRR) bei der Stickstofffixierung und die Stickoxid (NO)-Reduktion von Ammoniak (NORR) auf zweidimensionalen (2D) Materialien. Theoretisches Screening wird genutzt, um das detaillierte Design des Elektrokatalysators zusammenzufassen. Das Verständnis von 2D-Materialien als Katalysatoren für die elektrochemische Katalyse kann aus verschiedenen Perspektiven erweitert werden, und die theoretische Screening-Methode bietet eine Anleitung für die weitere Entwicklung und Entdeckung hocheffizienter und kostengünstiger elektrochemischer Katalysatoren, die dabei helfen kann, den bevorzugten Mechanismuspfad zu bestätigen und den Kontrollschritt eines Reaktionssystems zu entwickeln. Um eine effiziente katalytische Aktivität für elektrochemische Reaktionen in vielversprechenden zukünftigen Katalysatoren zu erreichen, werden hochflexible aktive Stellen, ausreichende Aktivität, Selektivität und eine breite spezifische Oberfläche benötigt. Hier werden mehrere herausragende und neuartige 2D-Materialien als Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion betrachtet, darunter die Graphen-Familie, das metallorganische 2D-Gerüst M3 (2,3,6,7,10,11-Hexaiminotriphenylen)2 [M3 (HITP)2], 2D-Übergangsmetallcarbide und -carbonitride (MXene) und das neuartige 2D-Material MBenes, das auf Bor-Analoga von MXenen basiert. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese 2D-Materialien nach umfangreichen theoretischen Untersuchungen eine hohe Aktivität und Selektivität in elektrochemischen Reaktionen erreichen können. Die Familie der Graphen-Katalysatoren mit einem einzigen Übergangsmetall-Atom und Stickstoff-Koordination (MN 4) ist für ihre ausgezeichnete Aktivität, Selektivität und hohe atomare Effizienz in der Sauerstoff-Reduktionsreaktion (ORR) bekannt. Systematische theoretische Untersuchungen haben bewiesen, dass die ORR unter sauren Bedingungen entlang eines vollständigen Vier-Elektronen-Transfer-Weges funktioniert, was darauf hindeutet, dass direkte Hydrierungswege gegenüber dem dissoziativen O2 -Mechanismus in der ORR bevorzugt werden. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass 2D metallorganische Gerüste M3 (HITP) 2 und 2D Übergangsmetallcarbide (MXene) eine hohe Aktivität und niedrige Überspannungen besitzen, wenn sie für die elektrochemische Kohlendioxid- Reduktionsreaktion (CO2 RR) verwendet werden. Wir haben Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen in Kombination mit der theoretischen Screening-Methode durchgeführt und festgestellt, dass sowohl 2D-MOF- als 7 auch MXene-Materialien vielversprechende Elektrokatalysatoren für die Reduktion von CO2 zur Herstellung von C1-Kohlenwasserstoffen sind. Schließlich haben 2D-Metallborid (MBene)-Katalysatoren ein signifikantes katalytisches Potenzial für die Elektroreduktion von CO2 zu CH4 ; MBene sind auch vielversprechend für die Anwendung in effizienten Elektrokatalysatoren mit hoher Aktivität und hoher Selektivität für die Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) und die Stickoxidreduktion (NORR). 2D-MBen-Katalysatoren haben ein niedriges Begrenzungspotenzial und ihre hohe Selektivität ist besonders wünschenswert, aber die Herausforderungen, die mit dem unzureichenden Verständnis des katalytischen Mechanismus verbunden sind, müssen bewältigt werden, wenn diese Materialien auf kommerzieller Basis eingesetzt werden sollen. MBen-Materialien sind ein attraktiver Elektroreduktionskatalysator, mit dem Ammoniak aus Stickstoffoxid (NO) in einem Prozess synthetisiert werden kann, der mit erneuerbaren Ressourcen wie Wind- und Sonnenenergie betrieben wird, um Stickstoffoxid zu Ammoniak zu reduzieren - ein effektiver Ansatz zur Lösung der Nitratverschmutzung. Eine vielversprechende Strategie ist die Nutzung des Haber-Bosch-Prozesses zur Synthese von Ammoniak unter Umgebungsbedingungen. Die Ammoniaksynthese hängt von der Fixierung des industriellen Stickstoffs ab und ist wichtig für die Synthese von Chemikalien und Düngemitteln, während die Entfernung von NO zur Lösung des Problems der Luftverschmutzung attraktiv und eine Herausforderung auf dem Gebiet der Elektrokatalyse ist. Die derzeitige Forschung konzentriert sich in der Regel auf diese Themen getrennt. Die direkte elektrochemische Reduktion von N2 zu NH3 wird jedoch nur selten erwähnt, und wir schlagen eine neue Art von Elektrokatalysator, Metallborid (MBene), als vielversprechenden Katalysatorkandidaten für die Erreichung der direkten Elektroreduktion von N2 zu NH3 vor. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es daher, ein neuartiges 2D-Material für den Einsatz als hocheffizienten Metallborid (MBene)-Elektrokatalysator zu evaluieren, der in der Lage ist, chemischen Stickstoff zu fixieren und NO zu entfernen und somit das Abgas zu reinigen. MBene sind auch eine praktikable Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren, das üblicherweise zur Herstellung von Ammoniak verwendet wird.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 178 Seiten in verschiedenen Zählungen
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Theory of Magnetic Materials
Date Deposited: 31 Oct 2022 13:15
Last Modified: 03 Nov 2022 10:18
DOI: 10.26083/tuprints-00022564
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-225645
Referees: Zhang, Prof. Dr. Hongbin ; Albe, Prof. Dr. Karsten
Date of oral examination: 2 June 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22564
PPN: 501037888
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