Multi-Center Cooperativity Enables Facile C–C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction on a Ni2P Catalyst

催化作用 电催化剂 电化学 合作性 吸热过程 材料科学 氧化还原 化学 无机化学 纳米技术 化学物理 物理化学 化学工程 吸附 电极 工程类 生物化学
作者
Shisheng Zheng,Xianhui Liang,Junjie Pan,Kang Hu,Shunning Li,Feng Pan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (5): 2847-2856 被引量:53
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c05611
摘要

The increasing interest for renewable electricity-driven CO2 electroreduction calls for effective strategies in catalyst design, which have so far mainly focused on the compositional modulation such as doping and alloying. Recently, attention has turned to the microstructural tailoring of catalytic centers with a multi-center architecture to promote the formation of multi-carbon products, but theoretical understanding lags far behind the experimental discoveries. Herein, a systematic first principles study is performed on the representative electrocatalyst, Ni2P, which is characterized by densely distributed Ni3 catalytic centers and displays high selectivity to C–C coupling during CO2 reduction reaction (CO2RR). Not only the Ni atoms in each trinuclear Ni3 site can cooperatively accommodate reaction intermediates for better opportunities of their coupling, but the adjacent Ni3 sites can also work in synergy to drive the highly endothermic hydrogenation steps in forming critical multi-carbon species. At the core of this capability lies the participation of the hydrogen-bonding network of water in transferring surface protons between neighboring Ni3 sites, which builds a kinetically feasible path to circumvent the thermodynamic penalty in an electrochemical step. This work uncovers the mechanism by which cooperativity arises in multi-center microstructures, with implications generally for the design of CO2RR electrocatalysts to obtain valuable chemicals.
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