Computational evaluation of 2D metal-organic frameworks with TMX4-centers (X = O, S and Se) for CO2 electroreduction

电化学 密度泛函理论 氧化还原 催化作用 齿合度 过渡金属 共轭体系 化学 金属有机骨架 金属 选择性 限制 无机化学 材料科学 物理化学 计算化学 电极 有机化学 吸附 工程类 聚合物 机械工程
作者
Guanru Xing,Shize Liu,Jing-yao Liu
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:48 (9): 3486-3494 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2022.10.188
摘要

Electrochemical CO2 reduction into value-added fuels and chemicals is regarded as a highly efficient way to achieve a carbon neutral cycle. Recently, two-dimensional metal-organic frameworks (2D MOFs) have attracted much attention in CO2 reduction reaction (CO2RR). Herein, we employed density functional theory (DFT) to study the catalytic performance of 48 kinds of the π-d conjugated 2D layered MOFs, i.e., TM-BHX, composed of transition metal ions and multidentate organic ligands, such as benzenehexaol (BHO), benzenehexathiol (BHT) and benzenehexaselenolate (BHS), for CO2RR. By investigating the thermodynamic stability and electrochemical stability, conductivity and the free energy change of the first hydrogenation step (CO2 + H+ + e− → ∗COOH or CO2 + H+ + e− → ∗HCOO), nine TM-BHX were selected from 48 MOFs, including TM-BHT (TM = Cr, Fe, Co, Ru, Rh, Ir) and TM-BHS (TM = Ru, Rh, Ir). Possible reaction pathways of CO2 reduction into C1 products were explored to determine the CO2RR mechanism. Our results showed that among 9 candidates, Cr-, Fe-, Co-BHT, and Ir–BHS not only exhibit high activity with low limiting potential (−0.30, −0.29, 0, and −0.49 V, respectively), but also have high CO2RR selectivity with the positive value of UL(CO2) – UL(H2), so they are promising CO2RR electrocatalysts. This work provides a new kind of 2D MOFs as efficient CO2RR electrocatalysts for experimental research.
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