Mechanistic Investigation of $NH_3$ Decomposition Reaction on Iridium-Doped Graphene Surface: Density Functional Theory Approach

İridyum Katkılı Grafen Yüzey Üzerinde $NH_3$ Ayrışma ReaksiyonununMekanistik İncelemesi: Yoğunluk Fonksiyonel Teori Yaklaşımı

Abstract

Ammonia (NH3) decomposition reaction is of great importance owing to its potential use in $CO_x$-emission-free $H_2$ production. Althoughmany different catalysts are used in the $NH_3$ decomposition reaction, metal-embedded graphene systems can be synthesizedexperimentally and are much cheaper than single-atom crystal surfaces due to the use of only a few metal atoms. In this study, $NH_3$ decomposition reaction on Iridium (Ir) doped graphene surface was investigated using density functional theory (DFT). Grime D2correction was used for Van der Waals interactions that can be induced by interactions between adsorbed structures and the surface.Metal-embedded graphene systems can be synthesized experimentally and are much cheaper than single-atom crystal surfaces due tothe use of only a few metal atoms. First of all, bader charge analysis was performed on the Ir doped graphene surface and the obtainedcharge density regions were shown with electron density difference. The adsorption of NHx (x = 0 → 3) species on the ir doped graphenesurface and their fragmented NHx + yH (x + y = 3) double bonding nature were investigated. Finally, the reaction mechanism for $NH_3$ decomposition on the Ir doped graphene surface is proposed and the energy barriers required for each reaction step are calculated bythe CINEB method. The results obtained showed that the Ir doped graphene exhibits high catalytic activity for the $NH_3$ decompositionreaction. In addition, the NH → N + H step was determined to be the rate determining step of the overall reaction. In the light of thisinformation obtained, it is concluded that different strategies and technologies can be used on the Ir doped graphene materials for $NH_3$ decomposition.

Özet

Amonyak ($NH_3$) ayrışma reaksiyonu, $CO_x$ emisyonu içermeyen $H_2$ üretmedeki potansiyel kullanımı nedeniyle önemlidir. NH3 ayrışmareaksiyonunda pek çok farklı katalizör kullanılmasına rağmen, metal gömülü grafen sistemler, deneysel olarak sentezlenebilir ve sadecebirkaç metal atomu kullanılmasından dolayı tek atom kristal yüzeylere göre çok daha ucuzdur. Bu çalışmada, İridyum (Ir) katkılı grafenyüzey üzerinde gerçekleşen $NH_3$ ayrışma reaksiyon mekanizması yoğunluk fonksiyonel teorisi (YFT) kullanılarak incelenmiştir. GrimeD2 düzeltmesi, adsorbe edilmiş yapılar ve yüzey arasındaki etkileşimlerle indüklenebilecek Van der Waals etkileşimleri içinkullanılmıştır. Öncelikle, Ir katkılı grafen yüzey üzerinde Bader yük analizi yapılmış ve elde edilen yük yoğunluğu bölgeleri elektronyoğunluk farklı ile gösterilmiştir. Ir katklı grafen yüzey üzerinde NHx (x= 0→3) türlerinin adsorpsiyonu ve onların parçalanmış NHx +yH (x+y=3) ikili bağlanma doğası araştırılmıştır. Son olarak, Ir katklı grafen yüzey üzerinde $NH_3$ ayrışması için reaksiyon mekanmasıönerilmiş ve her bir reaksiyon adımı için ihtiyaç duyulan enerji bariyerleri CINEB metodu yoluyla hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, Ir katkılı grafenin, $NH_3$ayrışma reaksiyonu için yüksek katalitik aktivite sergilediğini göstermiştir. Ayrıca NH → N+H adımı, genelreaksiyonun hız belirleyici adımı olduğu belirlenmiştir. Elde edilen bu bilgiler ışığında, $NH_3$ ayrışması için, Ir katklı grafen malzemelerüzerinde farklı stratejilerin ve teknolojilerin geliştirilmesinde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.