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p-Block Indium Single-Atom Catalyst with Low-Coordinated In–N Motif for Enhanced Electrochemical CO2 Reduction

催化作用 电化学 密度泛函理论 空位缺陷 Atom(片上系统) 化学 可逆氢电极 原子轨道 材料科学 结晶学 无机化学 计算化学 电极 物理化学 电子 有机化学 工作电极 计算机科学 嵌入式系统 物理 量子力学
作者
Simin Li,Xiuyuan Lu,Siqi Zhao,Marcel Ceccato,Xin‐Ming Hu,Alberto Roldán,Min Liu,Kim Daasbjerg
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (12): 7386-7395 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c01805
摘要

Electrochemical CO2 reduction represents a promising path toward the production of value-added chemicals. Atomically dispersed metal sites on nitrogen-doped carbon have demonstrated outstanding catalytic performance in this reaction. However, challenges remain in developing such catalysts beyond transition metals. Herein, we present two types of p-block indium single-atom catalysts: one with four nitrogen coordinated (In–N4) and another with three nitrogen coordinated with one vacancy nearby (In–N3–V). In electrochemical CO2 reduction, the In–N3–V site can achieve maximum CO Faradic efficiency (FECO) of 95% at −0.57 V vs reversible hydrogen electrode (RHE) in an aqueous medium. This outperforms the intact In–N4 catalyst with the maximum FECO of 80% at −0.47 V vs RHE. Density functional theory calculations on the mechanism suggest that structural change from In–N4 to In–N3–V brings the In orbital (s and pz) energies closer to the Fermi energy. These hybridized orbitals are responsible for lowering the energy barrier for COOH* intermediate formation, thus enhancing the catalytic performance. This work sheds light on the relationship between catalytic performance and structure of In single-atom sites, highlighting the importance of tailoring the electron state of s and pz orbitals in developing efficient p-block single-atom catalysts for electrochemical CO2 reduction.
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