Single-Atom-Anchored Two-Dimensional MoSi2N4 Monolayers for Efficient Electroreduction of CO2 to Formic Acid and Methane

催化作用 单层 甲酸 甲烷 选择性 过渡金属 Atom(片上系统) 工作职能 金属 化学 材料科学 惰性气体 无机化学 纳米技术 计算机科学 有机化学 冶金 嵌入式系统 复合材料
作者
Wei Xun,Xiao Yang,Qingsong Jiang,Mingjun Wang,Yin‐Zhong Wu,Ping Li
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (6): 3236-3243 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c03687
摘要

Efficient and selective CO2 electroreduction into value-added chemicals and fuels emerged as a significant approach for CO2 conversion; however, it relies on catalysts with controllable product selectivity and reaction paths. In this work, by means of first-principles calculations, we identify five catalysts (TM@MoSi2N4, TM = Sc, Ti, Fe, Co, and Ni) comprising transition-metal atoms anchored on a MoSi2N4 monolayer, whose catalytic performance can be controlled by adjusting the d-band center and occupation of supported metal atoms. During CO2 reduction, the single metal atoms function as the active sites that activate the MoSi2N4 inert base plane, and as-designed electrocatalysts exhibit excellent activity in CO2 reduction. Interestingly, HCOOH is the preferred product of CO2 reduction on the Co@MoSi2N4 catalyst with a rate-determining barrier of 0.89 eV, while the other four catalysts prefer to reduce CO2 to CH4 with a rate-determining barrier of 0.81–1.24 eV. Moreover, MoSi2N4 is an extremely air-stable material, which will facilitate its application in various environments. Our findings provide a promising candidate with high activity, catalysts for renewable energy technologies, and selectivity for experimental work.
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