Nonbonding Metal–Metal Interaction in Metal–Nitrogen–Carbon Single-Atom Catalysts Boosts CO Electroreduction

金属 碳纤维 催化作用 氮气 氮原子 碳原子 Atom(片上系统) 无机化学 化学 材料科学 冶金 有机化学 群(周期表) 复合数 复合材料 嵌入式系统 烷基 计算机科学
作者
Zhonglong Zhao,Gang Lü
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (38): 9738-9745 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c01969
摘要

Metal-nitrogen-carbon single-atom catalysts (SACs) have recently emerged as selective electrocatalysts for the reduction of CO2 to CO, but their ability to further electroreduce CO is poor. Here, based on constant-potential density functional theory simulations, we predict that Co-N-M (M = Fe, Co) SACs with nonbonding metallic centers bridged by a common nitrogen atom can catalyze four-electron reduction of CO to methanol at an ultralow overpotential of 220-310 mV. We show that the metal atoms in the SACs are terminated by H species which prevent the formation of σ bonding between CO and the metal atoms. Thanks to the nonbonding electrostatic repulsion between Co and its adjacent M atom, the Co dxz band is broadened and shifted toward the Fermi level, leading to enhanced dxz - 2π* interaction that gives rise to stable CO adsorption and promotes its active and selective reduction. This work offers an alternative strategy to tackle the challenge of CO electroreduction on SACs and highlights the role of nonbonding metal-metal interactions in modulating adsorption properties of SACs.

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