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Theoretical Insights into Nitrogen-Doped Graphene-Supported Fe, Co, and Ni as Single-Atom Catalysts for CO2 Reduction Reaction

过电位 石墨烯 催化作用 材料科学 电化学 贵金属 可逆氢电极 密度泛函理论 铂金 化学 纳米技术 无机化学 电极 物理化学 工作电极 计算化学 有机化学
作者
Yun Yang,Jingyan Li,Canyu Zhang,Ziqian Yang,Pengliang Sun,Shixi Liu,Qiue Cao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (9): 4338-4346 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c09740
摘要

Using single-atom catalysts for the electrochemical reduction of carbon dioxide is a promising method for excess renewable electricity as chemical energy in fuels. In this study, we have investigated single non-noble metal atoms supported on nitrogen-doped graphene (M-N4@Gr, where M = Fe, Co, Ni) as catalysts for the electrocatalytic reduction of CO2 using first-principles density functional theory and the computational hydrogen electrode model. The results show that HCOOH is the preferred product of CO2 reduction on the Ni-N4@Gr catalyst with an overpotential of 1.511 V, while Fe-N4@Gr and Co-N4@Gr prefer to reduce CO2 to CH4 with the overpotential of 0.877 and 0.687 V, respectively. The computational results revealed that the coordination environment affects d orbital occupations, leading to a difference in the spin polarization of the systems and thus affecting the performance and selectivity of catalysts. Our work may pave the way for extending single non-noble atom catalysts, which consist of earth-abundant elements, toward electrocatalytic CO2 reduction reaction by regulating coordination environments.
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