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Synergy of Various Defects in CoAl-Layered Double Hydroxides Photocatalyzed CO2 Reduction: A First-Principles Study

吉布斯自由能 化学 带隙 光催化 密度泛函理论 层状双氢氧化物 催化作用 Atom(片上系统) 纳米技术 计算化学 材料科学 物理 热力学 光电子学 有机化学 嵌入式系统 计算机科学
作者
Jiaqing Guo,Haochen Shen,Guang Wu,Jiamin Li,Manman Mu,Wenyuan Fan,Xiaohong Yin
出处
期刊:Catalysis Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:153 (4): 933-944 被引量:10
标识
DOI:10.1007/s10562-022-04038-8
摘要

Defect engineering is accepted as an efficient strategy for tuning the electronic structure and enhancing photocatalytic performance of layered double hydroxides (LDHs), an emerging family of two-dimensional photocatalysts, in reducing CO2 to hydrocarbons. Herein, we systematically investigate how the different types of structural defects influence electronic behavior, band edge position and Gibbs free energy barrier of CoAl-LDHs by density functional theory plus U (DFT + U) method. Our calculations indicate that CoAl-LDHs with Al defects exhibits stronger CO2 absorption capacity and narrower band gap comparing perfect CoAl-LDHs, and CoAl-LDHs with hydroxyl (–OH) defects reduce band edge down to − 1.397 V by harvesting electrons around Co atom. Furthermore, CoAl-LDHs with mixed defects of –OH and Al presents a potential synergy in photocatalytic reduction of CO2, whose calculated Gibbs free energies imply the optimal pathway for reducing CO2 to CH4 to be \({\text{CO}}_{{2}} \, \to \,*{\text{COOH}}\, \to \,*{\text{CO}}\, \to \,*{\text{CHO}}\, \to \,*{\text{CH}}_{{2}} {\text{O}}\, \to \,*{\text{CH}}_{{3}} {\text{O}}\, \to \,*{\text{CH}}_{{3}} {\text{OH}}\, \to \,*{\text{CH}}_{{3}} \, \to \,{\text{CH}}_{{4}}\) through altering the potential-determining step and lowering the Gibbs free energy barrier from 0.452 to 0.203 eV. Our achievement valuably predicts catalytic performance of CoAl-LDHs with single and mixed defects in photocatalytic CO2 reduction.Graphical Abstract
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