Desentrañar el efecto dependiente del tamaño del cúmulo de Cu en la reducción de CO2

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Catálisis
• Química computacional

Sus antecedentes:

• Los materiales de carbono nitrogenado con cobre atomicamente disperso y agrupado (Cu) son catalizadores emergentes para la reducción electroquímica de CO2 (CO2RR).
• Comprender la evolución estructural y los mecanismos de reacción de los grupos de Cu en estos soportes es crucial para optimizar la selectividad y el acoplamiento C-C.

Objetivo del estudio:

• Investigar la estabilidad estructural, las propiedades electrónicas y el rendimiento catalítico de los grupos Cu1-4 en sustratos C3N3 para CO2RR.
• Aclarar los orígenes mecanicistas de la selectividad hacia los productos C1-C3 y el acoplamiento C-C.

Principales métodos:

• Se emplearon cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) de los primeros principios.
• El estudio analizó las configuraciones de unión, las estructuras electrónicas y las vías de reacción de los grupos de Cu en C3N3.

Principales resultados:

• Los átomos de Cu forman enlaces estables con sitios N, pasando de estructuras planas a 3D a medida que aumenta el tamaño del racimo.
• Cu1@C3N3 mejora la selectividad del metano a través de la interconversión dinámica *CHO.
• Cu4@C3N3 facilita la acumulación de multi*CO a través de un ciclo dinámico, promoviendo el acoplamiento C-C mediante la reducción de las barreras de hidrogenación para el acoplamiento *CHO-*CHO y la formación de alcano C2+ en Cu3-4@C3N3.

Conclusiones:

• Se proporcionan información a escala atómica sobre los catalizadores de clúster de Cu en soportes de nitrógeno y carbono.
• Se proponen principios de diseño para un acoplamiento C-C mejorado en CO2RR, destacando el papel de la sinergia interfacial y la estructura del clúster.