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Harnessing the Collective Potential of Lanthanide Single-Atom Catalysts for Efficient CO2-to-CO Electroreduction

镧系元素 催化作用 法拉第效率 Atom(片上系统) 吸附 解吸 密度泛函理论 化学 光谱学 X射线光电子能谱 材料科学 纳米技术 电化学 结晶学 物理化学 化学工程 物理 计算化学 计算机科学 离子 电极 有机化学 量子力学 工程类 嵌入式系统
作者
Min Liu,Qiyou Wang,Tao Luo,Xueying Cao,Yujie Gong,Yuxiang Liu,Hongmei Li,Ying‐Rui Lu,Ting‐Shan Chan,Chao Ma,Kang Liu,Junwei Fu,Shiguo Zhang,Changxu Liu,Zhang Lin,Liyuan Chai
出处
期刊:Research Square - Research Square
标识
DOI:10.21203/rs.3.rs-4614446/v1
摘要

Abstract Single-atom catalysts (SACs) have received increasing attention due to their 100% atomic utilization efficiency. The electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) to CO using SAC offers a promising approach for CO2 utilization, but achieving facile CO2 adsorption and CO desorption remains challenging for traditional SACs. Instead of singling out specific atoms, we propose a novel strategy utilizing atoms from the entire lanthanide (Ln) group to facilitate the CO2RR. Density functional theory calculations, operando spectroscopy, and X-ray absorption spectroscopy elucidate the bridging adsorption mechanism for a representative erbium (Er) single-atom catalyst. Remarkably, we realize a series of Ln SACs spanning 14 elements that exhibit CO Faradaic efficiencies exceeding 90%. The Er catalyst achieves an ultrahigh turnover frequency of ~ 130,000 h‒1, accompanying with a remarkable 42.6% full-cell energy efficiency and record-high 94% single-pass CO2 conversion efficiency. This unparalleled catalytic platform leverages the collective potential of the lanthanide group, introducing new possibilities for efficient CO2-to-CO conversion and beyond through the exploration of unique bonding motifs in single-atom catalysts.

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