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ACS Catal.: 了解Ni2P上CO2電還原的機理：其對多碳產(chǎn)品的選擇性

鎳磷化物(Ni_xP_y)能夠通過電催化CO₂還原選擇性形成多碳化物(C₃和C₄)。然而，Ni_xP_y的催化活性仍然很低。為了了解該催化劑高選擇性和低活性的根本原因，從而設(shè)計出高活性的Ni_xP_y基CO₂還原電催化劑，賓夕法尼亞大學(xué)Andrew M. Rappe團隊對Ni₂P上的CO₂RR的機理進行DFT計算。

作者證明通過Ni₂P上的HCOO*中間體形成C1(甲酸鹽)和多碳產(chǎn)物(甲基乙二醛和2,3-呋喃二醇)。本文提出的機制提供了形成多碳產(chǎn)物的替代途徑，并且不涉及HOCO*中間體的途徑。

在之前的實驗中觀察到，這種途徑成功地解釋了對C₃和C₄產(chǎn)物的高選擇性(和低活性)。本文的結(jié)果確定了優(yōu)化CO₂*彎曲和H*在CO₂活化過渡態(tài)和HCOO*到HCOOH*轉(zhuǎn)化步驟中從Ni₃空心到Ni頂部位點的遷移，從而提高催化活性。

另外，作者發(fā)現(xiàn)Ni₂P表面的強H親和力和多個H結(jié)合位點，可以作為H*的局部儲庫，而H*能夠還原和氫化CO₂RR中間體。此外，通過空心位置的H吸附進行表面重建，為中間體(如HCOO*和H₂CO*)創(chuàng)造了熱力學(xué)驅(qū)動的C-C耦合。

因此，催化劑表面的H親和力可以影響CO₂RR能量學(xué)。同時，作者發(fā)現(xiàn)表面氫化物轉(zhuǎn)移、表面氫化、擴散和自縮合反應(yīng)等熱步驟是Ni₂P上電化學(xué)CO₂RR機理的組成部分。這些發(fā)現(xiàn)意味著熱步驟和電化學(xué)步驟的同步工程可以設(shè)計用于對多碳產(chǎn)品具有高選擇性的更具活性的CO₂RR催化劑的新型材料。

Mechanistic insights into CO₂ electroreduction on Ni₂P: Understanding its selectivity toward multicarbon products. ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c03639

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