Tandem Catalysis on Phase-Separating Alloys for Electrochemical Urea Synthesis

串联 催化作用 吸附 电化学 尿素 密度泛函理论 化学 联轴节(管道) 无机化学 材料科学 工作(物理) 组合化学 法拉第效率 化学工程 电极 金属
作者
Zengying Ma,Yu Cui,Yucheng Huang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:17 (10): 3020-3029 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.6c00061
摘要

In this work, density functional theory calculations combined with a constant-potential model are used to examine urea formation by co-reduction of CO 2 and NO 3 – on Co(111), Ni(111), Cu(111), and Zn(0001) surfaces, representing metals with distinct N and O adsorption characteristics. While Cu and Zn both promote C–N coupling, each surface exhibits thermodynamic limitations in different elementary steps. These complementary roles motivate a phase-separating Cu–Zn tandem catalyst in which NO 3 – adsorption and the first C–N coupling occur on Zn to form *NH 2 COOH, followed by spillover to Cu for subsequent hydrogenation and the final C–N coupling. Guided by the resulting empirical criterion that metals with higher O-affinity than N-affinity and moderate N adsorption favor C–N coupling, the screening is extended to the full transition-metal series, identifying Cu, Zn, Ag, and Cd as viable components and yielding six candidate tandem combinations. This work establishes a phase-separating tandem catalysis framework and offers transferable guidance for catalyst design in electrochemical urea synthesis.
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