Directional Curvature as a Design Lever for High-Efficiency CO 2 Electroreduction on NiN 4 -Doped Carbon Nanotubes

过电位 碳纳米管 密度泛函理论 材料科学 催化作用 Pourbaix图 从头算 曲率 计算化学 化学物理 杠杆 电化学 氧化还原 纳米技术 从头算量子化学方法 工作(物理) 弯曲 结构稳定性 碳纤维 电催化剂 势能 分子动力学 流离失所(心理学) 平面的 纳米电子学 化学
作者
Xi Nie,Yina Guo,Li Wei,Zilin Shen,Zhonglong Zhao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:130 (2): 1114-1123
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.5c08406
摘要

The development of efficient CO2 reduction reaction (CO2RR) catalysts remains a persistent challenge in renewable energy research. Although metal–nitrogen-carbon single-atom catalysts (M–N–C SACs) exhibit promising performance, their catalytic mechanisms are incompletely understood. In this work, constant-potential grand canonical density functional theory simulations reveal the directional curvature as a critical design lever for activating NiN4-doped carbon nanotubes (NiN4–CNTs). We demonstrate that bending direction─particularly zigzag-aligned (m, 0) and chiral-aligned (2m, m) curvature─synergistically controls both the magnitude of out-of-plane Ni displacement and electronic restructuring, enhancing dz2─p orbital hybridization with intermediates and triggering a spin-state transition. This directional tuning facilitates spontaneous *CO2δ− formation at low potentials, reducing the CO2RR overpotential by up to 62% versus planar configurations and outperforming other curvature alignments. Robust stability under electrochemical operating conditions is confirmed by constructing Pourbaix diagrams and performing constrained ab initio molecular dynamics simulations. This work establishes curvature-optimized NiN4–CNTs as high-performance CO2RR catalysts and provides fundamental insights into orbital-level regulation for SAC design.
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