Controllable fabrication of atomic dispersed low-coordination nickel-nitrogen sites for highly efficient electrocatalytic CO2 reduction

催化作用 法拉第效率 电催化剂 密度泛函理论 材料科学 电化学 化学 化学工程 纳米技术 电极 物理化学 计算化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Liming Qiu,Shuwen Shen,Cheng Ma,Chunmei Lv,Xing Guo,Hongliang Jiang,Zhen Liu,Wenming Qiao,Licheng Ling,Jitong Wang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:440: 135956-135956 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.135956
摘要

Single-atom catalysis has been considered as a powerful approach for CO2 reduction reaction (CO2RR) to achieve efficient resource conversion and carbon neutrality. The electrocatalytic activity of single-atom catalysts (SACs) is closely related to the local coordination environment. Herein, Ni SACs with well-defined low-coordination nickel-nitrogen sites (denoted as NiSA@N3-C) have been successfully developed via a facile sacrificial template method. XAS results reveal that the coordination environment of the atomically dispersed Ni active sites can be controlled by the pyrolysis temperature. Significantly, NiSA@N3-C displays remarkably excellent activity toward electrocatalytic CO2RR with CO Faradaic efficiency (FECO) of 96.0% at −0.83 V vs. RHE and remains high FECO exceeding 90% over a broad potential range from −0.63 to −0.93 V vs. RHE, outperforming those of NiSA@N4-C and NiNP@NC. More importantly, NiSA@N3-C exhibits an excellent CO selectivity of 99.2% with a considerable current density of −160 mA cm−2 in the flow cell reactor. Density functional theory (DFT) calculations further suggest that the Ni single atoms coordinated by three N atoms possesses a suitable free energy barrier for *COOH formation and *CO desorption, thereby exhibiting the most excellent CO2RR performance. This study sheds a new light on the design of SACs with controllable coordination structures for CO2RR.
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