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第一性原理研究单原子氮碳催化剂电催化还原二氧化碳

First-principles study on single-atom nitrogen-carbon catalysts for electrocatalytic reduction of carbon dioxide
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摘要 为了显著提升CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)中催化剂的性能,本文利用第一性原理计算方法,建立单层氮掺杂石墨烯负载的过渡金属单原子催化剂(TM-C_(2)N,TM=Cu、Pd、Ag、Fe、Ni、Sn),用于CO_(2)还原为CO和HCOOH。计算结果表明,TM-C_(2)N催化剂具有高结构稳定性、高效吸附和活化CO_(2)能力,以及良好的抑制析氢反应(HER)性能。吉布斯自由能计算结果表明,CO_(2)RR在TM-C_(2)N上以不同的反应路径生成HCOOH和CO。极限电位证明,Fe-C_(2)N和Cu-C_(2)N催化性能最好。这些计算结果不仅为C_(2)N基催化剂的实验调控提供了理论依据,而且对开发其他过渡金属高效电催化剂CO_(2)RR具有指导意义。 To significantly improve the performance of catalysts for the CO_(2)reduction reaction(CO_(2)RR),TM single-atom catalysts supported on nitrogen-doped graphene monolayers(TM-C_(2)N,TM=Cu,Pd,Ag,Fe,Ni,Sn)were designed for the conversion of CO_(2)to CO and HCOOH using first-principles calculations.The results indicated that the TM-C_(2)N catalysts exhibit high structural stability,efficient CO_(2)adsorption and activation,and strong suppression of the hydrogen evolution reaction(HER).Based on Gibbs free energy calculations,CO_(2)RR proceeds on TM-C_(2)N through different pathways to generate HCOOH and CO.The limiting potential calculations revealed that Fe-C_(2)N and Cu-C_(2)N catalysts exhibit the highest catalytic activity.These findings not only provide a theoretical basis for the experimental modulation of C_(2)N-based catalysts but also offer valuable insights for the development of other efficient transition metal electrocatalysts for CO_(2)RR.
作者 卢美旭 陶林 李云龙 李莉香 安百钢 LU Meixu;TAO Lin;LI Yunlong;LI Lixiang;AN Baigang(School of Chemical Engineering,University of Science and Technology Liaoning,Anshan 114051,China;School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)
出处 《辽宁科技大学学报》 CAS 2024年第4期258-264,280,共8页 Journal of University of Science and Technology Liaoning
基金 国家自然科学基金青年基金资助项目(52304330) 辽宁省自然科学基金资助项目(2024-BS-218) 辽宁省教育厅青年项目(LJKQ-Z20222324) 辽宁科技大学优秀青年项目(2023YQ11) 辽宁科技大学人才启动基金资助项目(6003000317) 辽宁科技大学大学生创新创业训练计划(X202410146289)。
关键词 CO_(2)还原 单原子催化剂 氮掺杂石墨烯 电催化 CO_(2)reduction single atom catalyst nitrogen-doped graphene electrocatalysis
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