Gaseous CO 2 Coupling with N-Containing Intermediates for Key C–N Bond Formation during Urea Production from Coelectrolysis over Cu

催化作用 密度泛函理论 联轴节(管道) 化学 电化学 过渡状态 分子 反应机理 氨生产 过渡金属 计算化学 分解 物理化学 电极 有机化学 材料科学 冶金
作者
Guo-Lin Yang,Chi-Tien Hsieh,Yeu‐Shiuan Ho,Tung‐Chun Kuo,Youngkook Kwon,Qi Lu,Mu‐Jeng Cheng
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (18): 11494-11504 被引量:103
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c02346
摘要

Coelectrolysis of CO 2 with simple nitrogen compounds can generate molecules containing C–N bonds, which makes it an appealing method for increasing the value and scope of products obtained from CO 2 electrochemical reduction (CO 2 ER) alone. In this study, we used density functional theory (DFT) calculations combined with a constant electrode potential model to investigate C–N formation pathways in the coreduction of CO 2 and NO 3 – /NO 2 – to produce urea on Cu(111). Strikingly, we found that the first C–N bond is formed through coupling of gaseous CO 2, rather than an intermediate of CO 2 ER, with the surface-bound N 1 intermediates (i.e., *NO 2, *NOH, *N, *NH, and *NH 2 ) generated during NO 3 – /NO 2 – reduction to NH 3 . The reaction follows the Eley–Rideal mechanism and requires only a single active site. This result is in contrast with the literature, where the carbon species for C–N coupling were assumed to be intermediates from CO 2 ER to CO (i.e., *COOH and *CO). Further barrier decomposition analysis indicated that the facile kinetics of C–N coupling involving CO 2 are due to the lower energy cost to deform CO 2 and the N 1 intermediate to the transition-state structure as well as the attractive interaction between them. For these facile and hence important CO 2 + N 1 reactions, we determined that the kinetic barrier of C–N coupling correlates well with the deformation energy of the N 1 intermediate. Based on these insights, two strategies to improve C–N coupling have been proposed.
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