In this study, we studied nitrogen reduction reaction (NRR) on single atom catalyst (SAC) theoretically. Four SACs at defected graphene were modelled, metal atom on carbon defect sites $(M@C_3, M@C_4)$ and nitrogen defect sites $(M@C_3, M@C_4)$. We calculate reaction free energies of NRR on SACs by using DFT calculations and compared with those on metal surfaces. Many SACs show higher NRR selectivity than metal surfaces. Hydrogen evolution reaction (HER) is highly suppressed on SACs. Several SACs show lower limiting potential than Ru (0001) stepped surface. In particular $La@N_3$ (-0.72V) and $Ti@N_4$ (-0.80V) show significantly low limiting potential. To understand the origin of suppressed HER, we found that lack of atomic ensemble for $\ast H$ can highly destabilize $\ast H$ on SACs. Several SACs including $Ti@N_4$ show enhanced $\ast N_2$ adsorption. The different electronic structure of SAC from that of metal surface can play an important role in orbital interactions between metal and $\ast N_2$.
본 연구에서는 단원자 금속 촉매의 질소환원반응에 대한 이론적인 연구를 수행하였다. 그래핀의 탄소 결함과 질소 결함에 금속 원자가 결합된 형태의 단원자 금속 촉매 모델 $(M@C_3, M@C_4, M@N_3, M@N_4)$ 위에서 질소 환원 반응에 대한 DFT계산을 수행하여 기존 금속 표면과 비교하였다. 단원자 금속 촉매가 금속 표면에 비해 수소 발생반응이 억제될 것을 보이며, 더 높은 질소환원/수소발생 선택성을 나타낼 것으로 보인다. 몇몇 단원자 촉매에서는 Ru (0001) 표면보다 더 낮은 한계전압이 요구되며, $Ti@N_4$의 경우 그 값이 -0.80V로 예상된다. 단원자 촉매에서 향상된 선택성의 원인은 금속 표면에서와는 차별된 흡착물의 결합형태로 인한 수소 발생 저하와 독특한 전자 구조로 강해진 금속-질소 결합으로 예상된다.
