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

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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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