Rare-earth metal-N6 centers in porous carbon for electrocatalytic CO2 reduction

过电位 催化作用 碳纤维 金属 单原子离子 材料科学 电催化剂 过渡金属 无机化学 化学 电极 电化学 冶金 物理化学 复合材料 复合数 有机化学 生物化学
作者
Xianshi Zeng,Luliang Liao,Meishan Wang,Hongming Wang
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (30): 20381-20394 被引量:6
标识
DOI:10.1039/d3cp02314a
摘要

Single-atom catalysts fabricated using rare earth elements have emerged for electrocatalytic carbon dioxide reduction, but they need to be studied systematically and intensively. Herein, density functional theory was employed to determine the electrocatalytic CO2 reduction activity of rare earth-N6 porous carbon (Re = Ce, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Er, Tm, Yb, and Lu) single-atom catalysts. The results revealed that the binding energy of the rare-earth atoms to the N6C monolayers in the ten studied Re-N6C monatomic catalysts is much more negative than the cohesion energy of the bulk rare-earth metal, which makes rare-earth atoms stably dispersed in the N6C skeleton. CO is the primary chemical product of electrocatalytic CO2 reduction by Ce, Eu, and Lu. The primary product of the six monatomic species, i.e., Nd, Sm, Tb, Er, Tm, and Yb, is HCOOH. The dominant product of Gd is CH4. The limiting potentials of these catalysts are in the range of 0.31-0.786 V and their overpotentials are in the range of 0.06-0.707 V, all of which are relatively low, showing that they are potential and promising electrocatalysts for CO2 reduction. Subsequently, Eu-N6C was experimentally synthesized and used for electrocatalytic CO2 reduction to obtain CO products, and the overpotential showed good agreement with the theoretically calculated values.
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