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Dynamic Stability of Copper Single-Atom Catalysts under Working Conditions

化学 催化作用 吸附 Atom(片上系统) 星团(航天器) 催化循环 水溶液 无机化学 化学物理 物理化学 有机化学 计算机科学 嵌入式系统 程序设计语言
作者
Xiaowan Bai,Xunhua Zhao,Yehui Zhang,Chongyi Ling,Yipeng Zhou,Jinlan Wang,Yuanyue Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (37): 17140-17148 被引量:122
标识
DOI:10.1021/jacs.2c07178
摘要

The long-term stability of single-atom catalysts is a major factor affecting their large-scale commercial application. How to evaluate the dynamic stability of single-atom catalysts under working conditions is still lacking. Here, taking a single copper atom embedded in N-doped graphene as an example, the "constant-potential hybrid-solvation dynamic model" is used to evaluate the reversible transformation between copper single atoms and clusters under realistic reaction conditions. It is revealed that the adsorption of H is a vital driving force for the leaching of the Cu single atom from the catalyst surface. The more negative the electrode potential, the stronger the adsorption of H. As a result, the competitive hydrogen evolution reaction is inhibited, and Cu-N bonds are weakened, resulting in some Cu atoms being tethered on the catalyst surface and some being dissolved in the aqueous solution. The collision of the Cu atoms in the two states forms a transient Cu cluster structure as a true catalytic active site to promote CO2 reduction to ethanol. As the applied potential is released or switched to a positive value, hydroxyl radicals (OH•) play a dominant role in the oxidation process of the Cu cluster, and then Cu returns to the initial atomic dispersion state by redeposition, completing the reconstruction cycle of the copper catalyst. Our work provides a fundamental understanding of the dynamic stability of Cu single-atom catalysts under working conditions at the atomic level and calls for a reassessment of the stability of currently reported single-atom catalysts considering realistic reaction conditions.
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