C2N-graphene supported single-atom catalysts for CO2 electrochemical reduction reaction: mechanistic insight and catalyst screening

催化作用 石墨烯 电化学 氧还原反应 Atom(片上系统) 材料科学 还原(数学) 纳米技术 化学工程 化学 物理化学 电极 计算机科学 有机化学 嵌入式系统 工程类 数学 几何学
作者
Xudong Cui,Wei An,Xiaoyang Liu,Hao Wang,Yong Men,Jinguo Wang
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (32): 15262-15272 被引量:220
标识
DOI:10.1039/c8nr04961k
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have emerged as an excellent platform for enhancing catalytic performance. Inspired by the recent experimental synthesis of nitrogenated holey 2D graphene (C2N-h2D) (Mahmood et al., Nat. Commun., 2015, 6, 6486-6493), we report density functional theory calculations combined with computational hydrogen electrode model to show that C2N-h2D supported metal single atoms (M@C2N) are promising electrocatalysts for CO2 reduction reaction (CO2 RR). M confined at pyridinic N6 cavity promotes activation of inert O[double bond, length as m-dash]C[double bond, length as m-dash]O bonds and subsequent protonation steps, with *COOH → *CO → CHO predicted to be the primary pathway for producing methanol and methane. It is found that *CO + H+ + e- → *CHO is most likely to be the potential determining step; breaking the scaling relation of *CO and *CHO binding on M@C2N SACs may simply be a rare event that is sensitively controlled by the detailed geometry of the adsorbate. Among twelve metals screened, M@C2N SACs where M = Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Ru were identified to be effective in catalyzing CO2 RR with lowered overpotentials (0.58 V-0.80 V).
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