Two-Dimensional Metal–Organic Framework TM Catalysts for Electrocatalytic N2 and CO2 Reduction: A Density Functional Theory Investigation

电催化剂 密度泛函理论 催化作用 氧化还原 金属有机骨架 限制 化学 电化学 无机化学 吸附 过渡金属 材料科学 化学工程 物理化学 计算化学 电极 有机化学 工程类 机械工程
作者
Anqi She,Ming Wang,Shuang Li,Yanhua Dong,Dandan Wang
出处
期刊:Crystals [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:13 (10): 1426-1426
标识
DOI:10.3390/cryst13101426
摘要

In this study, we screened novel two-dimensional metal–organic framework (MOF) materials, which can be used as efficient electrocatalysts in the N2 reduction reaction (NRR) and CO2 reduction reaction (CO2RR) through density functional theory (DFT) calculations. By systematically investigating the adsorption behaviors of N2 and CO2 in different MOF-TMs (TM = Fe, Co, Ni, Cu, Zn) and their electrocatalytic hydrogenation processes, we found that 2D MOF-Fe, MOF-Co, and MOF-Ni can be used as catalysts for electrocatalytic NRR. The free energy increase in the corresponding potential-limiting step is calculated to be 0.84 eV on MOF-Fe, 1.00 eV on MOF-Co, and 1.17 eV on MOF-Ni, all of which are less than or at least comparable to those reported values for the NRR. Moreover, only 2D MOF-Fe was identified as a suitable electrocatalyst for CO2RR. Instead of other hydrocarbons, the product CH3OH is selectively obtained in an electrocatalytic CO2 reduction reaction on a 2D MOF-Fe with a free energy increase of 0.84 eV in the potential-limiting step. Overall, the results of this study not only facilitate the potential application of 2D MOF-TMs as electrocatalysts but also provide new guidelines for rationally designing novel electrocatalysts for the NRR and CO2RR.
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