Non-Bonding Interaction of Neighboring Fe and Ni Single-Atom Pairs on MOF-Derived N-Doped Carbon for Enhanced CO2 Electroreduction

化学 催化作用 Atom(片上系统) 碳纤维 兴奋剂 结晶学 热解 选择性 金属 纳米技术 无机化学 材料科学 有机化学 复合数 光电子学 嵌入式系统 复合材料 计算机科学
作者
Long Jiao,Juntong Zhu,Yan Zhang,Weijie Yang,Siyuan Zhou,Aowen Li,Chenfan Xie,Xusheng Zheng,Wu Zhou,Shu‐Hong Yu,Hai‐Long Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (46): 19417-19424 被引量:366
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08050
摘要

Single-atom catalysts (SACs), featuring high atom utilization, have captured widespread interests in diverse applications. However, the single-atom sites in SACs are generally recognized as independent units and the interplay of adjacent sites is largely overlooked. Herein, by the direct pyrolysis of MOFs assembled with Fe and Ni-doped ZnO nanoparticles, a novel Fe1-Ni1-N-C catalyst, with neighboring Fe and Ni single-atom pairs decorated on nitrogen-doped carbon support, has been precisely constructed. Thanks to the synergism of neighboring Fe and Ni single-atom pairs, Fe1-Ni1-N-C presents significantly boosted performances for electrocatalytic reduction of CO2, far surpassing Fe1-N-C and Ni1-N-C with separate Fe or Ni single atoms. Additionally, the Fe1-Ni1-N-C also exhibits superior performance with excellent CO selectivity and durability in Zn-CO2 battery. Theoretical simulations reveal that, in Fe1-Ni1-N-C, single Fe atoms can be highly activated by adjacent single-atom Ni via non-bonding interaction, significantly facilitating the formation of COOH* intermediate and thereby accelerating the overall CO2 reduction. This work supplies a general strategy to construct single-atom catalysts containing multiple metal species and reveals the vital importance of the communitive effect between adjacent single atoms toward improved catalysis.
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