Theoretical Prediction of Electrocatalytic Reduction of CO2 Using a 2D Catalyst Composed of 3 d Transition Metal and Hexaamine Dipyrazino Quinoxaline

过电位 电催化剂 催化作用 过渡金属 选择性 金属 单层 喹喔啉 无机化学 密度泛函理论 材料科学 化学 物理化学 纳米技术 计算化学 有机化学 电化学 冶金 电极
作者
Xianshi Zeng,Luliang Liao,Qiming Yu,Mei‐Shan Wang,Hongming Wang
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:29 (64) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/chem.202302232
摘要

Transition metals and organic ligands combine to form metal-organic frameworks (MOFs), which possess distinct active sites, large specific surface areas and stable porous structures, giving them considerable promise for CO2 reduction electrocatalysis. In the present study, using spin polarisation density-functional theory, a series of 2D MOFs constructed from 3d transition metal and hexamethylene dipyrazoline quinoxaline(HADQ) were investigated. The calculated binding energies between HADQ and metal atoms for the ten TM-HADQ monolayers were strong sufficient to stably disperse the metal atoms in the HADQ monolayers. Of the ten catalysts tested, seven (Sc, Ni, Cu, Zn, Ti, V and Cr) exhibited high CO2 reduction selectivity, while Mn, Fe and Co required pH values above 2.350, 6.461 and 6.363, respectively, to exhibit CO2 reduction selectivity. HCOOH was the most important producer for Sc, Zn, Ni and Mn, while CH4 was the main producer for Ti, Cr, Fe and V. Cu and Co were less selective, producing HCHO, CH3 OH, and CH4 simultaneously at the same rate-determining step and limiting potential. The Cu-HADQ catalyst had a high overpotential for the HCHO product (1.022 V), while the other catalysts had lower overpotentials between 0.016 V and 0.792 V. Thus, these results predict TM-HADQ to show excellent activity in CO2 electrocatalytic reduction and to become a promising electrocatalyst for CO2 reduction.

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