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Screening of Transition Metal Supported on Black Phosphorus as Electrocatalysts for CO2 Reduction

化学 催化作用 过渡金属 一氧化碳 选择性 氧化还原 无机化学 甲烷 金属 分子 组合化学 有机化学
作者
Weichan Zhong,Jingxiu Yue,Rongxin Zhang,Hongjie Huang,Hong Huang,Zhangfeng Shen,Lingchang Jiang,Minhong Xu,Qineng Xia,Yongyong Cao
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:63 (2): 1035-1045 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.3c03320
摘要

The electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) is an effective and economical strategy to eliminate CO2 through conversion into value-added chemicals and fuels. However, exploring and screening suitable 2D material-based single-atom catalysts (SACs) for CO2 reduction are still a great challenge. In this study, 27 (3d, 4d, and 5d, except Tc and Hg) transition metal (TM) atom-doped black phosphorus (TM@BP) electrocatalysts were systematically investigated for CO2RR by density functional theory calculations. According to the stability of SACs and their effectiveness in activating the CO2 molecule, three promising catalysts, Zr@BP, Nb@BP, and Ru@BP, were successfully screened out, exhibiting outstanding catalytic activity for the production of carbon monoxide (CO), methyl alcohol (CH3OH), and methane (CH4) with limiting potentials of -0.79, -0.49, and -0.60 V, respectively. A catalytic relationship between the d-band centers of SACs and the limiting potential of CO2RR was used to estimate the catalytic activity of catalysts. Furthermore, Nb@BP has high selectivity for CO2RR to CH3OH compared to H2 formation, while the hydrogen evolution reaction significantly impacts the synthesis of CO and CH4 on Zr@BP and Ru@BP. Nitrogen atom doping in BP is beneficial for enhancing the selectivity of CO2RR, but it is detrimental to the activity of CO2RR. This study offers theoretical guidance for synthesizing highly efficient CO2RR electrocatalysts and further enhances structural modulation methods for layered 2D materials.
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