Selective Hydrogenation of CO2 to CH3OH on a Dynamically Magic Single-Cluster Catalyst: Cu3/MoS2/Ag(111)

催化作用 星团(航天器) 离子键合 化学 碱金属 材料科学 结晶学 纳米技术 无机化学 离子 有机化学 计算机科学 生物化学 程序设计语言
作者
Yawan Wang,Yandi Zhu,Xiaowen Zhu,Jinlei Shi,Xiaoyan Ren,Lili Zhang,Shunfang Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (1): 714-724 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c05072
摘要

Selective hydrogenation of carbon dioxide (CO 2 ) into value-added chemicals via highly efficient catalysts is of great significance in CO 2 conversion and utilization. Here, taking Cu N /MoS 2 /Ag(111) heterostructures ( N = 1–8) as prototypical examples, we theoretically establish a concept of a dynamically magic single-cluster catalyst (DMSCC) for high-efficient selective hydrogenation of CO 2 to CH 3 OH. It is found that, though Cu 2 and Cu 8 in the gas phase are well recognized as magic clusters due to closed-shell electronic structures, Cu 3 and Cu 7 become new magic clusters when deposited on MoS 2 /Ag(111) due to their high-symmetric structures and strong Cu–S ionic bonding. Moreover, the dynamic evolution of the geometric structure of the Cu 3 species with an alkali-metal-like electronic feature and the d z 2 frontier orbital accounts for its highly selective catalytic activity for CO 2 reduction to CH 3 OH rather than HCOO with a low rate-limiting reaction barrier of ∼1.10 eV. However, the deposited Cu 7 is relatively highly inert toward CO 2 activation because of its halogen-element-like electronic characteristics. The present findings on DMSCC are expected to be constructive in design and fabrication of highly efficient single-atomic-scale catalysts for CO 2 activation and conversion.
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