Enhanced CO2 electrochemical reduction on single-atom catalysts with optimized environmental, central and axial chemical ambient

电化学 催化作用 还原(数学) Atom(片上系统) 材料科学 化学 化学工程 无机化学 电极 物理化学 有机化学 计算机科学 数学 工程类 几何学 嵌入式系统
作者
Zhongze Bai,Xi Zhuo Jiang,Kai Hong Luo
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:686: 1188-1199 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2025.02.015
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have received significant research interests for electrocatalytic CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) to produce valuable chemicals. Designing optimal SACs for CO 2 RR is a great challenge because of the strong scaling relationship among the many carbon-containing intermediates. In this study, we designed high-performance SACs, breaking the scaling relationship through changing environmental nonmetals, central atoms and axial nonmetals together via a series of density functional theory (DFT) calculations. After screening through configuration stabilities, CO and CO 2 adsorption energy , limiting potential of H 2 , product adsorption energy , limiting potential of products, energy barrier of C–C coupling process and AIMD simulations , we finally observed ten optimal SACs (Ti-N4-B, Ti-N4-Si, Ti-CN3-Si, Ti-CN2O(1)-S, Sc-C2NO(1)-B, Sc-C2NO(1)-Si, Ti-BCN2(2)-N, Sc-CN2O(3)-Si, Ru-C2NO(3)-C and Ti-BONC-C) after considering 4311 possible configurations with high activity and selectivity for HCOOH, CH 4 and C 2 H 6 O formation. Among them, Ti-N4-B, Ru-C2NO(3)-C, and Sc-C2NO(1)-B have the lowest overpotentials for producing HCOOH, CH 4 , and C 2 H 6 O with U L of −0.2 V, −0.29 V, and −0.51 V, respectively. Subsequently, electronic analysis is implemented to provide a more comprehensive explanation at the electronic level for the enhanced CO 2 RR performance of the discovered SACs. Our research demonstrates that the performance of SACs on CO 2 RR can be significantly enhanced and altered by the combination of environmental nonmetals, central atoms, and axial nonmetals in a rational design. Importantly, it also establishes a design principle for the rapid screening of prospective catalysts for CO 2 RR with high activity and selectivity.
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