Dual atom catalysts for rapid electrochemical reduction of CO to ethylene

双金属片 催化作用 材料科学 甲醇 电化学 碳纳米管 吸附 乙烯 Atom(片上系统) 碳纤维 化学工程 纳米技术 物理化学 化学 有机化学 电极 复合数 工程类 复合材料 计算机科学 嵌入式系统
作者
Charles B. Musgrave,Yuyin Li,Zhengtang Luo,William A. Goddard
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:118: 108966-108966 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108966
摘要

Strong CO adsorption and facile CO dimerization are the key challenges in electrochemical CO2 reduction towards multi-carbon (C2+) products. We recently showed that CoPc immobilized on a single-walled carbon nanotube can selectively reduce CO2 to methanol. This is enabled through molecular strain, which dramatically improves the CO adsorption energy to CoPc, which in turn facilitates methanol formation. We now examine the extended Phthalocyanine (PcEx) dual atom catalyst (DAC), which is intrinsically strained and contains two catalyst centers, making it a candidate for reducing CO to C2+ products. Using Quantum Mechanics (QM), we screened 20 elements embedded in the PcEx, seeking catalysts with weak hydrogen binding, strong CO binding, and facile CO dimerization. We identified Fe, Ru, Co, and Ir as the best performers and subsequently evaluated the entire CO to C2H4 mechanism (9 steps) using each of these elements as catalysts. In terms of limiting potential and overall exergonicity, we identified CoPcEx as the best catalyst, followed by IrPcEx. We then examined the full CO to C2H4 mechanism on the bimetallic IrCoPcEx catalyst using grand canonical QM to obtain the reaction energetics as a function of applied potential. We conclude that the bimetallic IrCoPcEx is most promising for efficiently converting CO to ethylene.
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