Confinement Effect and 3D Design Endow Unsaturated Single Ni Atoms with Ultrahigh Stability and Selectivity toward CO2 Electroreduction

选择性 催化作用 纳米片 材料科学 纳米孔 法拉第效率 密度泛函理论 可逆氢电极 纳米颗粒 纳米技术 化学工程 电化学 化学 物理化学 计算化学 有机化学 电极 参比电极 工程类
作者
Dan Ping,Siguang Huang,Shide Wu,Yifei Zhang,Shiwen Wang,Xu-Zhao Yang,Lifeng Han,Junfeng Tian,Dongjie Guo,Hua‐Jun Qiu,Shaoming Fang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (14): e2309014-e2309014 被引量:28
标识
DOI:10.1002/smll.202309014
摘要

Abstract Developing single‐atomic catalysts with superior selectivity and outstanding stability for CO 2 electroreduction is desperately required but still challenging. Herein, confinement strategy and three‐dimensional (3D) nanoporous structure design strategy are combined to construct unsaturated single Ni sites (Ni‐N 3 ) stabilized by pyridinic N‐rich interconnected carbon nanosheets. The confinement agent chitosan and its strong interaction with g‐C 3 N 4 nanosheet are effective for dispersing Ni and restraining their agglomeration during pyrolysis, resulting in ultrastable Ni single‐atom catalyst. Due to the confinement effect and structure advantage, such designed catalyst exhibits a nearly 100% selectivity and remarkable stability for CO 2 electroreduction to CO, exceeding most reported state‐of‐the‐art catalysts. Specifically, the CO Faradaic efficiency (FE CO ) maintains above 90% over a broad potential range (‐0.55 to ‐0.95 V vs . RHE) and reaches a maximum value of 99.6% at a relatively low potential of ‐0.67 V. More importantly, the FE CO is kept above 95% within a long‐term 100 h electrolyzing. Density functional theory (DFT) calculations explain the high selectivity for CO generation is due to the high energy barrier required for hydrogen evolution on the unsaturated Ni‐N 3 . This work provides a new designing strategy for the construction of ultrastable and highly selective single‐atom catalysts for efficient CO 2 conversion.
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