Theoretical insights on C-N coupling mechanism and guidance for screening the catalysts of electrocatalytic urea synthesis by descriptors

催化作用 吸附 尿素 密度泛函理论 化学 机制(生物学) 无机化学 联轴节(管道) 化学工程 材料科学 计算化学 物理化学 有机化学 冶金 哲学 认识论 工程类
作者
Meng Zheng,Haiqing Ma,Zhiming Li,Hongan Yu,Long Nie,Chenliang Ye,Xiaoyu Chen,Jin Wang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:342: 123366-123366 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123366
摘要

Electrocatalytic urea synthesis from CO2 and nitrate/nitrite is promising as a sustainable strategy to alleviate the dependency on fossil resources and CO2 release. The complicated synthesis steps and controversial C-N coupling mechanism restrict the design of efficient catalysts to satisfy industrial application. Herein, based on density functional theory calculations on metals (Au, Ag, Pd, Cu, and Ni) and micro-kinetic analysis, the C-N coupling mechanism is clarified as CO2+ N1 species (NO*, NOH*, or N*). The formed chemical adsorption of CO2 on the surface is found as an indicator to directly exclude the inactive metal catalysts. Furthermore, the descriptors of hydrogen and oxygen adsorption energy are successfully related to the catalysis performance, and the catalysts with moderate hydrogen adsorption and strong oxygen adsorption strength are predicted with the outstanding performance, which is validated by the experimental results. These insights would be helpful to identify and design high-performance catalysts for electrocatalytic urea synthesis.
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