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Direct Observation of Electron Donation onto the Reactants and a Transient Poisoning Mechanism During CO2 Electroreduction on Ni Single Atom Catalysts

X射线吸收光谱法 氧化还原 化学 催化作用 电化学 硫氰酸盐 光化学 无机化学 Atom(片上系统) 吸收光谱法 物理化学 电极 有机化学 嵌入式系统 物理 量子力学 计算机科学
作者
Josh Leverett,Ghazal Baghestani,Thành Trần‐Phú,Jodie A. Yuwono,Priyank V. Kumar,Bernt Johannessen,Darcy Simondson,Haotien Wen,Shery L. Y. Chang,Antonio Tricoli,Alexandr N. Simonov,Liming Dai,Rose Amal,Rahman Daiyan,Rosalie K. Hocking
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202424087
摘要

SACs are an important class of materials that mediate chemical reduction reactions, a key subset of which is Ni within a carbon support for the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR). However, how the metal atom/clusters and carbon‐based support act in concert to catalyze CO2RR is not well understood, with most reports attributing activity solely to the Ni‐Nx/C moieties. To address this gap, we have undertaken a mechanistic investigation, employing in situ X‐ray absorption spectroscopy (XAS) coupled with electrochemical studies and DFT calculations to further understand how Ni single atoms work in conjunction with the nitrogen‐doped carbon matrix to promote CO2RR to CO, and how the presence of impurities such as those present in CO2‐containing waste flue gases (including NOx, and CN‐) changes the catalyst upon reduction. In contrast to previous works, we do not find strong evidence for a purely metal‐based reduction upon application of negative reductive potentials. Instead, we present evidence for an increase in the equatorial vs. axial splitting of Ni, consistent with electrons moving onto the reactants via the Ni single atom 3dz2 orbital. In addition, we demonstrate a transient poisoning mechanism of the Ni SAC by nitrite and thiocyanate, explaining the recovery of activity during CO2RR.
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