Theoretical Design of the Electrocatalytic Urea Synthesis from Carbon Dioxide and Nitric Oxides

二氧化碳 尿素 催化作用 二氧化碳电化学还原 电催化剂 化学 无机化学 硝酸 电化学 材料科学 一氧化碳 有机化学 电极 物理化学
作者
Jun Long,Dong Luan,Xiaoyan Fu,Huan Li,Jianping Xiao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (19): 14678-14687 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03785
摘要

Recently, electrochemical coreduction of CO 2 and NO x has been proposed as a sustainable route for urea synthesis. Although Zn is the best monometallic catalyst, the urea selectivity on Zn is very low. Toward the rational design of catalysts, the reaction mechanism of urea synthesis was unveiled based on an “electric field controlling constant potential” method, which can directly address the effects of explicit solvent, electric field, and electrode potential on reaction intermediates and transition states. We found that the couplings between CO* and NOH* and CONH* and N* are most favorable for the formation of two C–N bonds of urea, respectively. According to this mechanism, we not only reproduced the experimental Faradaic efficiencies of different products on Zn but also rationalized the activity trend of urea synthesis over a set of catalysts. More interestingly, we have revealed that adsorbed N* species on Fe and Mo have an essential promotion on urea production. Guided by the mechanistic insights, we finally proposed a compressive strain engineering to tune the d-band center of Zn, which can decrease the two C–N coupling barriers to 0.06 and 0 eV, respectively, and deliver a remarkable urea Faradaic efficiency (FE) of 88.5% using CO and NO as reactants.
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