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

催化作用 电催化剂 电化学 材料科学 Atom(片上系统) 过渡金属 密度泛函理论 选择性 纳米技术 物理化学 无机化学 化学 计算化学 电极 生物化学 嵌入式系统 计算机科学
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]
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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