Atomic Tuning of Single-Atom Fe–N–C Catalysts with Phosphorus for Robust Electrochemical CO2 Reduction

过电位 法拉第效率 催化作用 电化学 电催化剂 碳纤维 Atom(片上系统) 化学 材料科学 选择性 无机化学 物理化学 电极 复合数 嵌入式系统 复合材料 生物化学 计算机科学
作者
Ke Li,Shengbo Zhang,Xiuli Zhang,Shuang Liu,Haosong Jiang,Taoli Jiang,Chunyue Shen,Yi Yu,Wei Chen
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (4): 1557-1565 被引量:157
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c04382
摘要

The electrochemical reduction of CO2 to produce carbon-based fuels and chemicals possesses huge potentials to alleviate current environmental problems. However, it is confronted by great challenges in the design of active electrocatalysts with low overpotentials and high product selectivity. Here we report the atomic tuning of a single-Fe-atom catalyst with phosphorus (Fe-N/P-C) on commercial carbon black as a robust electrocatalyst for CO2 reduction. The Fe-N/P-C catalyst exhibits impressive performance in the electrochemical reduction of CO2 to CO, with a high Faradaic efficiency of 98% and a high mass-normalized turnover frequency of 508.8 h-1 at a low overpotential of 0.34 V. On the basis of ex-situ X-ray absorption spectroscopy measurements and DFT calculations, we reveal that the tuning of P in single-Fe-atom catalysts reduces the oxidation state of the Fe center and decreases the free-energy barrier of *CO intermediate formation, consequently maintaining the electrocatalytic activity and stability of single-Fe-atom catalysts.
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