Ni Triple-Atom Doped Cu2O Electrocatalysts for Efficient Electrochemical Urea Synthesis: A Theoretical Study

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作者
Xiaoqing Li,Yiyi Li,Haoqiang Li,Weikuan Li,Yajuan Cheng,Haiping Lin,Wenjing Huang,Shiyun Xiong
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (37): 33485-33495 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c10715
摘要

Chemical C-N coupling from CO2 and N2 toward urea synthesis is an appealing approach for Bosch-Meiser urea production. However, this process faces significant challenges, including the difficulty of N2 activation, high energy barriers, and low selectivity. In this study, we theoretically designed a Ni triple-atom doped Cu2O catalyst, Ni TAC@Cu2O, which exhibits exceptional urea synthesis performance. Using density functional theory and the constant potential method, we show that the superior catalytic performance of Ni TAC@Cu2O stems from synergistic metal-support interactions (MSIs) between Ni atoms and Cu2O. Cu2O serves as an anchoring substrate and actively participates in CO2 activation via strong Cu-O bonding, whereas Ni serves as the pivotal active center for N2 activation. Ni TAC@Cu2O achieves a moderate N2 adsorption energy and a limiting potential (UL) of -0.60 V, overperforming Ni single-atom (Ni SAC@Cu2O, UL = -0.85 V) and Ni double-atom (Ni DAC@Cu2O, UL = -0.88 V) catalysts. The third Ni atom enhances electron donation, reducing the energy barrier of the rate-determining step (*CO + *N2 + H+ + e- → *CONNH), while O atoms in Cu2O regulate Ni's electronic structure through MSIs. Additionally, Ni TAC@Cu2O demonstrates thermodynamic, electrochemical, and acid-base stability and effectively suppresses competing side reactions. This work underscores the importance of Cu2O-supported MSIs in multiatom catalysts for enhanced performance and provides insights for advanced electrocatalyst design.
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