Single-Atom Catalysts for CO2 Reduction to Oxalate: Theoretical Design and Reaction Condition Prediction

材料科学 催化作用 草酸盐 Atom(片上系统) 还原(数学) 氧还原反应 计算化学 物理化学 无机化学 有机化学 电化学 计算机科学 化学 电极 几何学 数学 嵌入式系统
作者
Ying Zhou,Xuan Wu,Ping Zhu,Wenhua Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (35): 49564-49572 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c11771
摘要

The electrochemical conversion of carbon dioxide (CO2) into high-value-added products under mild conditions is crucial for achieving carbon neutrality. Oxalate (C2O42-) is one of the most important industrial raw materials and is widely used as a reducing agent in the fields of medicine, dyeing, and plastics yet faces challenges in efficient C-C bond formation under mild conditions. In this study, we investigate the reduction of CO2 to C2O42- using single-atom catalysts (SACs) with M-Nx-C configurations, employing density functional theory (DFT) to assess their catalytic performance under varying reaction conditions. Our findings demonstrate that the catalytic activity of Ti-N3-C is highly sensitive to the choice of solvent and electrode potential. Lower solvent dielectric constants and more negative electrode potentials promote oxalate formation with Ti-N3-C, exhibiting a remarkably low-energy barrier (0.31 eV) for the rate-determining step at -0.7 V in acetonitrile, alongside high selectivity. By systematically tuning the coordination environment of single metal atoms, we identify Ti-N2C-C, Cr-N2C-C, and Cr-N3-C as promising catalysts, operating efficiently at potentials of -0.7, -0.7, and -0.6 V, respectively. This work not only offers theoretical guidance for designing high-performance SACs for CO2 conversion but also deepens the mechanistic understanding of the electrochemical CO2 reduction pathways.
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