In Situ Modulated Nickel Single Atoms on Bicontinuous Porous Carbon Fibers and Sheets Networks for Acidic CO2 Reduction

材料科学 介孔材料 纳米片 催化作用 化学工程 碳纤维 纳米技术 复合材料 有机化学 化学 复合数 工程类 冶金
作者
Haoyang Li,Lingzhe Fang,Ting Wang,Rui Bai,Jian Zhang,Tao Li,Zhiyao Duan,Kai‐Jie Chen,Fuping Pan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (7): e2416337-e2416337 被引量:27
标识
DOI:10.1002/adma.202416337
摘要

Carbon-supported single-atom catalysts exhibit exceptional properties in acidic CO2 reduction. However, traditional carbon supports fall short in building high-site-utilization and CO2-rich interfacial environments, and the structural evolution of single-atom metals and catalytic mechanisms under realistic conditions remain ambiguous. Herein, an interconnected mesoporous carbon nanofiber and carbon nanosheet network (IPCF@CS) is reported, derived from microphase-separated block copolymer, to improve catalytic efficiency of isolated Ni. In IPCF@CS nanostructure, highly mesoporous IPCF hinders stacking of CS that provides additional fully exposed sites and abundant bicontinuous mesochannels of IPCF facilitate smooth CO2 transport. Such unique features enable enhanced Ni utilization and local CO2 enrichment, which cannot be achieved over conventional pore-deficient and discontinuous porous carbon fibers-based supports. In situ X-ray and Infrared spectroscopy coupling constant-potential calculations reveal the dynamic distortion of the planar Ni-N4 to an out-of-plane configuration with expanded Ni-N bond during operating CO2 electroreduction. The potential-driven low-valance-state Ni-N4 possesses enhanced intrinsic electrokinetics for CO2 activation and CO desorption yet inhibiting hydrogen evolution. The favorable electronic and interfacial reaction environments, resulted from the in situ tailored Ni site and IPCF@CS support, achieve an FE of near 100% at 540 mA cm-2, a TOF of 55.5 s-1, and a SPCE of 89.2% in acidic CO2-to-CO electrolysis.
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