Atomically Dispersed Manganese on Carbon Substrate for Aqueous and Aprotic CO2 Electrochemical Reduction

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作者
Meiling Wang,Ying Yao,Yuhui Tian,Yifei Yuan,Liguang Wang,Feiyang Yang,Jingjie Ren,Xinrong Hu,Feng Wu,Shanqing Zhang,Junxiu Wu,Jun Lü
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (12) 被引量:46
标识
DOI:10.1002/adma.202210658
摘要

CO2 utilization and conversion are of great importance in alleviating the rising CO2 concentration in the atmosphere. Here, a single-atom catalyst (SAC) is reported for electrochemical CO2 utilization in both aqueous and aprotic electrolytes. Specifically, atomically dispersed Mn-N4 sites are embedded in bowl-like mesoporous carbon particles with the functionalization of epoxy groups in the second coordination spheres. Theoretical calculations suggest that the epoxy groups near the Mn-N4 site adjust the electronic structure of the catalyst with reduced reaction energy barriers for the electrocatalytic reduction of CO2 to CO. The resultant Mn-single-atom carbon with N and O doped catalyst (MCs-(N,O)) exhibits extraordinary electrocatalytic performance with a high CO faradaic efficiency of 94.5%, a high CO current density of 13.7 mA cm-2 , and a low overpotential of 0.44 V in the aqueous environment. Meanwhile, as a cathode catalyst for aprotic Li-CO2 batteries, the MCs-(N,O) with well-regulated active sites and unique mesoporous bowl-like morphology optimizes the nucleation behavior of discharge products. MCs-(N,O)-based batteries deliver a low overpotential and excellent cyclic stability of 1000 h. The findings in this work provide a new avenue to design and fabricate SACs for various electrochemical CO2 utilization systems.
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