?【DFT+實(shí)驗(yàn)】ACS Energy Letters:微量鈷摻雜促進(jìn)銅的CO2電還原和乙烯生成 2023年11月29日 下午2:00 ? 計(jì)算 ? 閱讀 39 電化學(xué)CO2還原反應(yīng)(CO2RR)是一種通過(guò)可再生電力和水將CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的碳基分子的獨(dú)特方法。特別是多碳(C2+)分子,如乙烯、乙醇和1-丙醇,由于其在化學(xué)和燃料行業(yè)的巨大市場(chǎng)規(guī)模,是CO2RR的理想產(chǎn)物。為了實(shí)現(xiàn)C2+產(chǎn)物的高效生產(chǎn),促進(jìn)CO二聚化是必不可少的,這已被公認(rèn)為是速率決定步驟。因此,在這一研究領(lǐng)域中,促進(jìn)CO二聚化的催化劑的開(kāi)發(fā)投入了大量的精力。與此相反,調(diào)整C2+產(chǎn)物之間的選擇性,即乙烯與乙醇之間的選擇性,還知之甚少,只有少數(shù)研究報(bào)告了從催化劑設(shè)計(jì)原則解釋的重大變化。 基于此,韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院Pyuck-Pa Choi、Jihun Oh和大邱慶北科學(xué)技術(shù)院Stefan Ringe(共同通訊)等人發(fā)現(xiàn)將微量的Co原子摻雜在Cu中,稱(chēng)為CoCu單原子合金(SAA),與純Cu相比,Co的形成速率高達(dá)其兩倍。 本文在流動(dòng)電解池中測(cè)試了Co摻雜CuO催化劑的CO2RR的電催化性能。對(duì)于Co摻雜量為1.0%及以上的催化劑,其與CO2RR相關(guān)的電流密度(jCO2RR)降低,但這并不奇怪,因?yàn)榇呋瘎┑膁帶中心被較高濃度的鈷摻雜劑修飾,這可能導(dǎo)致催化劑表面有過(guò)度強(qiáng)的CO結(jié)合親和力,從而降低了其CO2RR催化性能。 有趣的是,0.2% Co摻雜的CuO比純CuO表現(xiàn)出更高的jCO2RR。考慮到0.2% Co摻雜幾乎不影響催化劑的d帶中心,本文推斷微量Co摻雜的存在構(gòu)建了新的活性位點(diǎn),促進(jìn)了CO的產(chǎn)生。隨著Co摻雜量為0.2%的催化劑的CO產(chǎn)生率的增加,本文還觀察到了更高的jC2H4。在1.0% Co摻雜CuO的情況下,即使沒(méi)有觀察到聚集的Co納米顆粒,與純CuO相比,jCO2RR和jC2H4受到了輕微抑制,這表明Co原子位點(diǎn)并不是串聯(lián)催化效應(yīng)的唯一因素。1.0% Co摻雜CuO的d帶中心上升,導(dǎo)致催化劑表現(xiàn)出次優(yōu)的*CO結(jié)合強(qiáng)度,以發(fā)生C-C耦合。 因此,原子Co位點(diǎn)和未改變的催化劑d帶中心都是證明CO析出的串聯(lián)位點(diǎn)可以促進(jìn)C2H4生成的必要條件。值得注意的是,0.2% Co摻雜的CuO在650 mA cm-2時(shí)顯示出22.5%的C2H4陰極能量效率(EE),這高于純CuO的最高C2H4陰極EE。值得注意的是,陰極EE僅占陰極過(guò)電位的一部分,因此需要進(jìn)一步研究反應(yīng)器、膜和陽(yáng)極才能獲得高的EE。 本文利用密度泛函理論計(jì)算(DFT)深入了解了引入Co時(shí)乙醇和乙烯之間的選擇性變化。與之前不同的是,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,與Cu相比,所有Co摻雜濃度都提高了對(duì)乙烯的選擇性。兩種產(chǎn)物之間的選擇性與*HOCCH中間體有關(guān),它分叉成兩種不同的途徑。如果*HOCCH快速轉(zhuǎn)化為*CCH中間體,則乙烯形成途徑繼續(xù)進(jìn)行,而如果*HOCHCH中間體更容易形成,則乙醇形成途徑更有利。因此,本文計(jì)算了*CCH和*HOCHCH中間體之間的自由能差。 有趣的是,研究發(fā)現(xiàn)純Co位點(diǎn)和CO覆蓋的Co位點(diǎn)都能提高對(duì)乙烯的選擇性。這表明,與摻雜濃度無(wú)關(guān),Co的引入有利于乙烯的形成,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。總之,本文合成了MOF衍生的CoCu SAA,以研究強(qiáng)CO結(jié)合原子在Cu中的作用。TEM-EDS和APT分析表明,Co原子在微量成分為0.2%時(shí)以單原子的形式存在。雖然原子分散的Co原子由于高的CO結(jié)合強(qiáng)度而被CO毒害,但DFT計(jì)算表明,這些CO覆蓋的Co位點(diǎn)附近的Cu位點(diǎn)具有平衡穩(wěn)定的*Co和*COOH。 總之,這項(xiàng)工作展示了一種非直觀的策略,即利用強(qiáng)CO結(jié)合元素來(lái)提高C2H4的產(chǎn)量。此外,本文還強(qiáng)調(diào)了這些位點(diǎn)在維持高CO覆蓋率或高CO濃度以最大化C2H4產(chǎn)量方面的重要性。重要的是,考慮到活性位點(diǎn)的異質(zhì)性,SAAs是有待進(jìn)一步探索的一類(lèi)獨(dú)特的CO2RR催化劑。 Trace-Level Cobalt Dopants Enhance CO2 Electroreduction and Ethylene Formation on Copper, ACS Energy Letters, 2023, DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00418. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00418. 原創(chuàng)文章,作者:計(jì)算搬磚工程師,如若轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明來(lái)源華算科技,注明出處:http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/11/29/51af70b17a/ 贊 (0) 0 生成海報(bào) 相關(guān)推薦 重磅!他,不到一年集齊4頂刊!繼Nature/Nature energy/Nature chemistry后,再發(fā)Joule! 2025年2月19日 駱靜利院士EES:耦合電催化系統(tǒng)助力CO2還原和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化 2023年10月15日 【DFT+實(shí)驗(yàn)】包信和/汪國(guó)雄/宋月鋒,最新Angew.! 2023年12月5日 【深度解讀】Vacuum:DFT計(jì)算聲子色散譜、DOS、電荷密度分布、介電常數(shù)、折射率、吸收譜、反射率、能量損失 2023年12月13日 使用 LLM 設(shè)計(jì)「硅大腦」:Hopkins 團(tuán)隊(duì)利用 ChatGPT 自動(dòng)描述尖峰神經(jīng)元陣列 2024年3月18日 基于Monte Carlo粒子追蹤的高性能聲子模擬軟件 2024年2月29日