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Theoretical investigations of transition metal atom-doped MoSi2N4 monolayers as catalysts for electrochemical CO2 reduction reactions

单层 过渡金属 催化作用 空位缺陷 Atom(片上系统) 电化学 兴奋剂 无机化学 金属 化学 材料科学 光化学 物理化学 纳米技术 结晶学 电极 冶金 有机化学 光电子学 嵌入式系统 计算机科学
作者
Guoqiang Ding,Yiwen Gao,Hetong Zhang,Na Yang,Xiaobin Niu,Jianwei Wang
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:27 (1): 577-588 被引量:4
标识
DOI:10.1039/d4cp03493g
摘要

Following the principle of single-atom catalysts (SACs), the fourth-period transition metals (TM) were designed as active sites on a MoSi2N4 monolayer surface with N vacancy, and the catalytic mechanisms of these single-atom active sites for the conversion of CO2 to CO were investigated by first-principles calculations. Our results showed that the doped TM atoms on the MoSi2N4 surface significantly enhanced the CO2 reduction reaction (CO2RR) activity compared with the pristine MoSi2N4 monolayer. Our findings after analyzing all the doped structures in our work were as follows: (1) the Sc-, Ti-, and Mn-doped structures exhibited very low limiting potentials; (2) out of Sc-, Ti- and Mn-doped structures, the Mn@MoSi2N4-Nv structure showed the best catalytic performance with a limiting potential of only -0.16 V, exhibiting an advantage over the hydrogen evolution reaction, which is a competitive reaction of CO2RR. However, the positive binding free energy at 298.15 K of the intermediate reactant *COOH on the Mn@MoSi2N4-Nv surface indicated its unstable state, which hinders the CO generation process. This is contrary to the results derived from the adsorption/binding energy at 0 K, which indicated that the effect of temperature cannot be ignored when considering adsorption/binding energy. Our work provides insights into the effects of temperature on the catalytic mechanisms for CO2RR through TM-doped MoSi2N4 monolayers.
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