Pore size effect of graphyne supports on CO2 electrocatalytic activity of Cu single atoms

石墨 位阻效应 选择性 催化作用 材料科学 化学 化学物理 纳米技术 结晶学 计算化学 物理化学 密度泛函理论 电极 立体化学 电化学 有机化学
作者
Youxuan Ni,Licheng Miao,Jiaqi Wang,Junxiang Liu,Mingjian Yuan,Jun Chen
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:22 (3): 1181-1186 被引量:46
标识
DOI:10.1039/c9cp05624f
摘要

The instinctive chemical inertia of CO2 impedes its electrochemical reduction by high energy input. Single atom catalysts (SACs) on supports are considered as a class of excellent electrocatalysts with high activity, selectivity and atomic efficiency for CO2 electrochemical reduction. Supports for single atoms are believed to greatly impact the electrocatalytic activity of SACs. However, further research on the relationship between the structure of supports for SACs and CO2 electroreduction is still needed. Herein, density functional theory (DFT) calculations are performed to investigate the role of supports in tuning the CO2 electrocatalytic activity of SACs. Graphynes with different pore sizes (graphyne, graphdiyne, graphyne-3 and graphyne-4) are taken into account to unveil the effect of their skeleton structure on the anchored Cu single atoms. We found that support skeletons could greatly impact the coordination configuration of metal atoms and the steric repulsion of support skeletons to intermediates. These two factors jointly result in different electrocatalytic performances of SACs. The comparative analysis proves that the graphynes with large pores are appropriate supports for Cu adatoms for CO2 electroreduction due to the low-coordinated Cu atoms and weak-steric-repulsion carbon skeleton. Such SACs exhibit much enhanced activity and selectivity as compared with the Cu(111) surface and monoatomic Cu on nitrogen-doped graphene. This work provides a new insight into the rational design of supports for SACs.
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