Currently, carbon dioxide reduction (CO2RR) can convert CO2 into many high-value hydrocarbon chemicals via electrochemical processes, contributing to achieving energy conservation and emission reduction. Importantly, this method also guides the electrocatalytic synthesis of organonitrogen chemicals via C–C and C–N coupling, such as acetamide synthesis during the coelectroreduction of CO2 and N2. Herein, we utilized density functional theory calculations to predict the C–N coupling performance of *CCO and NH3 for acetamide synthesis on lateral heterostructure (LHS) interfaces of two types of layered materials: Type-A includes NbS2/MoS2, NbS2/TaS2, NbS2/WS2, MoS2/TaS2, and TaS2/WS2; Type-B contains LHS NbS2/AlN, NbS2/GaN, NbS2/ZnO, MoS2/AlN, MoS2/GaN, MoS2/ZnO, TaS2/AlN, TaS2/GaN, TaS2/ZnO, and WS2/AlN, WS2/GaN, WS2/ZnO. However, achieving simultaneous C–C coupling and C–N coupling remains a great challenge in designing catalysts. To address this, we systemically investigated these LHS catalysts, evaluating factors such as adsorption stability, electroconductivity, catalytic activity, selectivity, and electronic properties. Our findings suggest that MoS2/WS2 and NbS2/ZnO may be potential catalysts, facilitating acetamide synthesis from CO2 and N2 reduction with low limiting potentials of − 1.11 and − 0.97 V, respectively. The reaction pathway of CO2RR involves the formation of CO, C–C coupling via keto − enol tautomerism to form ketene (*CCO), N2 reduction, and C–N coupling between NH3 and *CCO to produce *CC(OH)NH2, finally resulting in acetamide production. Most of these LHS junction catalysts exhibit metallic and semiconductor electronic states, except for MoS2/GaN, which possesses a large band gap of up to 3.73 eV. Furthermore, our analysis indicates that NbS2/AlN, NbS2/GaN, TaS2/ZnO, WS2/AlN, and WS2/ZnO effectively suppress competing byproducts, ensuring the formation of *CCO and promoting nucleophilic reactions leading to *CC(OH)NH2 during *CC(OH)NH2. This strategic approach enables the synthesis of organonitrogen chemicals via C–N coupling in the coreduction of CO2 and NOx, expanding the scope of hydrocarbon products derived from CO2RR, the LHS catalysts identified in this study may be employed to form amide chemicals.

中文翻译：

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预测两种层状材料之间横向异质结构界面的 C-N 耦合性能，用于通过还原 CO2 和 N2 电化学合成乙酰胺和氨


目前，二氧化碳还原 （CO ₂ RR） 可以通过电化学过程 ₂ 将 CO 转化为许多高价值的碳氢化合物化学品，有助于实现节能减排。重要的是，该方法还通过 C-C 和 C-N 耦合指导有机氮化学品的电催化合成，例如在 CO ₂ 和 N ₂ 的共电还原过程中合成乙酰胺。在此，我们利用密度泛函理论计算来预测 *CCO 和 NH ₃ 在两种层状材料的横向异质结构 （LHS） 界面上乙酰胺合成的 C-N 耦合性能：A 型包括 NbS ₂ /MoS ₂ 、 NbS ₂ /TaS ₂ 、 NbS ₂ /WS ₂ 、 MoS ₂ /TaS ₂ 和 TaS ₂ /WS ₂ ;B 型包含 LHS NbS ₂ /AlN、NbS ₂ /GaN、NbS ₂ /ZnO、MoS ₂ /AlN、MoS ₂ /GaN、MoS ₂ /ZnO、TaS /AlN、TaS _{2 2} /GaN、TaS ₂ /ZnO 和 WS ₂ /AlN、WS ₂ /GaN、WS ₂ /ZnO。然而，在设计催化剂时，同时实现 C-C 耦合和 C-N 耦合仍然是一个巨大的挑战。为了解决这个问题，我们系统地研究了这些 LHS 催化剂，评估了吸附稳定性、导电性、催化活性、选择性和电子特性等因素。我们的研究结果表明，MoS ₂ /WS ₂ 和 NbS ₂ /ZnO 可能是潜在的催化剂，可促进 CO ₂ 和 N ₂ 还原合成乙酰胺，其低限位电位分别为 -1.11 和 -0.97 V。 CO ₂ RR 的反应途径涉及通过酮 - 烯醇互变异构形成 CO、C-C 偶联以形成乙烯酮 （*CCO）、N ₂ 还原以及 NH ₃ 和 *CCO 之间的 C-N 偶联以产生 *CC（OH）NH ₂ ，最终导致乙酰胺的产生。这些 LHS 结催化剂中的大多数都表现出金属和半导体电子态，但 MoS ₂ /GaN 除外，它具有高达 3.73 eV 的大带隙。此外，我们的分析表明，NbS ₂ /AlN、NbS ₂ /GaN、TaS ₂ /ZnO、WS ₂ /AlN 和 WS ₂ /ZnO 有效地抑制竞争性副产物，确保 *CCO 的形成并促进亲核反应，导致 *CC（OH）NH 期间的 *CC（OH）NH _{2 2} 。这种战略方法能够在 CO ₂ 和 NO 的共还原中通过 C-N 偶联合成有机氮化学品 _x ，扩大了 CO ₂ RR 衍生的碳氢化合物产品的范围，本研究中确定的 LHS 催化剂可用于形成酰胺化学品。