Autonomous Exploitation of Reaction Pathways for Electrochemical C–N Coupling on Single-Atom Catalysts

催化作用 电化学 Atom(片上系统) 联轴节(管道) 化学 偶联反应 材料科学 物理化学 电极 有机化学 计算机科学 冶金 嵌入式系统
作者
Junjie Pan,Haowen Ding,Xiaoling Yang,Xianhui Liang,Shanglin Wu,Mingzheng Zhang,Shunning Li,Shisheng Zheng,Feng Pan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:: 457-467
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c05751
摘要

Electrochemical C–N coupling between CO2 and N-containing small molecules is a promising strategy to close both the carbon and nitrogen loops to support the establishment of a net-zero carbon economy. However, the intricate reaction network and the contentious C–N coupling mechanism hinder the development of efficient electrocatalysts for industrial applications. Herein, we develop a graph-based approach to enable autonomous analysis of the C–N coupling mechanism for coreduction of CO2 and NO3– on single-atom catalysts (SACs). 1400 potential intermediates and 2490 C–N coupling modes are investigated based on the Cu-N4-C prototypical catalyst. We demonstrate that N-containing species with a higher reduction degree are more likely to undergo C–N coupling and the initial coupling of the C–N bond tends to occur on CO2. It is revealed that the hydrogenation energies of *NH2 and CO2, as well as their coupling energies, can serve as key indicators for catalyst recommendation. Using this approach, SACs with Mo, W, or Sb metal centers are identified as promising electrocatalysts for C–N coupling. This work presents a paradigm for automatically exploring the mechanisms of complex electrocatalytic reactions and offers a strategy for predicting highly active and selective SACs.
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