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?李昊/王強/高正陽ACS Catal.:純計算!揭示雙原子催化劑上CO2RR中難以發(fā)生C-C偶聯(lián)的原因

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催化耦合反應(yīng)具有操作條件溫和、過程可控、裝置模塊化等優(yōu)點,被認(rèn)為是實現(xiàn)資源高效利用、促進(jìn)高附加值產(chǎn)品生成的有效策略。新興的金屬-氮-碳(M?N?C)雙原子催化劑(DAC)由于存在多金屬位點,有望在CO2還原反應(yīng)中生成多碳產(chǎn)物。但是,最近的許多實驗表明,幾乎沒有DAC可以有效地生產(chǎn)大量的多碳產(chǎn)品。
為了揭示這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,日本東北大學(xué)李昊中科院山西煤化所王強華北電力大學(xué)高正陽等通過自旋極化密度泛函理論計算,結(jié)合范德瓦爾斯相互作用,探討了典型的同核和異核DACs的表面態(tài),并對CO2RR中的反應(yīng)機理進(jìn)行了探討。
?李昊/王強/高正陽ACS Catal.:純計算!揭示雙原子催化劑上CO2RR中難以發(fā)生C-C偶聯(lián)的原因
?李昊/王強/高正陽ACS Catal.:純計算!揭示雙原子催化劑上CO2RR中難以發(fā)生C-C偶聯(lián)的原因
具體而言,研究人員在前人實驗觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用自旋極化DFT-D3方法對幾種典型的DAC催化劑(包括Fe/Fe-N6-C、Fe/Ni-N6-C和Ni/Ni-N6-C)上的CO2RR進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),無論是在金屬-金屬橋位置的單側(cè)還是雙側(cè),*CO都會覆蓋在DAC上形成有利的表面態(tài)。基于表面態(tài)的自由能圖表明CO是DAC的主要產(chǎn)物,這與實驗觀察一致。
同時,還發(fā)現(xiàn)如果分子能夠通過較大的缺陷穿透碳層,雙面占據(jù)也是有利的,這有助于在CO2RR中甲酸的生成。此外,*CO氫化(即形成*COH或*COH)在DAC中不太有利,表明C?C偶聯(lián)需要克服更大的活化能壘。
?李昊/王強/高正陽ACS Catal.:純計算!揭示雙原子催化劑上CO2RR中難以發(fā)生C-C偶聯(lián)的原因
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基于CO2RR的有效反應(yīng)描述符,分析了不同目標(biāo)產(chǎn)物的中間體結(jié)合能與火山活性模型之間的線性尺度關(guān)系。結(jié)果表明,吸附強度與CO2RR的選擇性和活性密切相關(guān),所有模型分析與實驗結(jié)果基本一致。
總體而言,該項工作通過結(jié)合表面狀態(tài)分析、活性模擬和電子結(jié)構(gòu)分析,揭示了CO2RR反應(yīng)中DACs上C?C偶聯(lián)難以發(fā)生的原因,強調(diào)了在分析電催化活性之前應(yīng)該考慮DACs的表面狀態(tài),其中金屬-金屬橋位點的CO中毒不可忽略。
Why Is C–C Coupling in CO2 Reduction Still Difficult on Dual-Atom Electrocatalysts? ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c01768

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