Behavior of Cupric Single Atom Alloy Catalysts for Electrochemical Nitrate Reduction: An Ab Initio Study

选择性 催化作用 化学 密度泛函理论 电化学 Atom(片上系统) 氧化还原 吸附 无机化学 物理化学 计算化学 有机化学 电极 计算机科学 嵌入式系统
作者
Srishti Gupta,Daniel J. Rivera,Matthew Shaffer,Adam Chismar,Christopher L. Muhich
出处
期刊:ACS ES&T engineering [American Chemical Society]
卷期号:4 (1): 166-175 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsestengg.3c00207
摘要

Electrochemical nitrate reduction (E-NRR) powered by renewable electricity is a sustainable method of converting toxic nitrate into benign products (N2) or value-added products (NH3). Recently, single atom substitutions of Pd and Ru in inexpensive Cu have shown high activity and selectivity of E-NRR over hydrogen evolution and toward the desired product. Here, we investigate the E-NRR pathway of nine single atom substitutions in Cu to understand the relationship between single atom identity and the activity and selectivity of E-NRR using Density Functional Theory (DFT). We find that while reaction and adsorption energy trends are strongly correlated to the d-band center of the single atom substitution, the single atom catalyst surfaces do not neatly follow scaling relationships as transition states do not occur in the same configuration on all the substitutions. Of the metals investigated, we predict that Ti-, Ru-, Ni-, and Pd-single atom alloys (SAAs) improve the selectivity and activity of E-NRR, while Mo-SAA favors HER, and W-, Pt-, Au-, and In-SAAs do not alter the Cu activity. Ti-, Ru-, and Ni-SAAs selectively reduce nitrate into NH3, whereas Pd-SAA reduces nitrate to N2 at high pH. The selectivity of the SAA for NH3 or N2 arises from the preference of adsorbed N* for either the SAA element or Cu. Ni- and Pd-SAA performances are predicted to be more sensitive to potential conditions than Ti and Ru. Overall, this work provides a framework for the design of SAA E-NRR catalysts that are selective to the desired N product.

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