Boosting Synergistic Catalysis C–N Coupling via Stabilizing Close Zn/Ti Bimetallic Sites for Electrocatalytic Urea Synthesis from CO2 and Nitrite

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作者
Ruifeng Wang,Yuchang Liu,Yafen Kong,Qizhi Chen,Shuangliang Zhao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:: 2703-2714 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c08000
摘要

Electrocatalytic urea synthesis is significantly limited by the low efficiency of C–N bond coupling between CO2 and nitrite. Here, we designed a Zn and Ti bimetallic active site catalyst by anchoring TiO2 on the surface of ZnO and developed a new NF@CoMn2O4@ZnO-TiO2 electrocatalyst with high resistance to deactivation. The Co3+/Mn3+-Mn4+ solid oxide pairs in NF@CoMn2O4@ZnO-TiO2 maintain their high stability by extracting accumulated electrons around Zn2+ and Ti4+ through strong electronic interactions. The Zn active sites on NF@CoMn2O4@ZnO-TiO2 can efficiently catalyze the reduction of CO2 to *CO, while the Ti active sites can efficiently catalyze the reduction of NO2– to the *NH2 intermediate product. The proximity of the Zn and Ti sites shortens the coupling distance between the *CO and *NH2 intermediates, facilitating the efficient electrocatalytic synthesis of urea. DFT calculations indicate that the ΔG required for the coupling of *CO and *NH2 adsorbed on short-range Zn and Ti sites on CoMn2O4@ZnO-TiO2 is lower compared to CoMn2O4@ZnO and ZnO. This results in a remarkably high Faradaic efficiency of 61.18% for urea synthesis at −0.6 V vs RHE for NF@CoMn2O4@ZnO-TiO2. This work provides a new pathway for achieving synergistic catalysis of C–N coupling reactions between different metal catalytic sites.
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