Single atomic Fe–N4 active sites and neighboring graphitic nitrogen for efficient and stable electrochemical CO2 reduction

过电位 法拉第效率 催化作用 电化学 氮气 密度泛函理论 吸附 材料科学 热解 无机化学 化学工程 化学 物理化学 计算化学 电极 有机化学 工程类
作者
Leta Takele Menisa,Ping Cheng,Xueying Qiu,Yonglong Zheng,Xuewei Huang,Yan Gao,Zhiyong Tang
出处
期刊:Nanoscale horizons [Royal Society of Chemistry]
卷期号:7 (8): 916-923 被引量:25
标识
DOI:10.1039/d2nh00143h
摘要

Single atomic Fe-Nx moieties have shown great performance in CO2-to-CO conversion. However, understanding the structural descriptors that determine the activity of Fe-Nx remains vague, and promising strategies to enhance their catalytic activity are still not clear. Herein, we used a high-temperature pyrolysis strategy and post-synthesis acid treatment for the direct growth of a single Fe-Nx site adjacent to graphitic nitrogen for the electrochemical CO2 reduction reaction. This strategy could significantly reduce the amount of pyridinic and pyrrolic N atoms, while graphitic N surrounding the Fe-Nx site predominantly increases. An experimental study combined with density functional theory revealed that the increase in the neighboring graphitic N decreases the number of electrons transferred between CO and the catalyst for FeN4-2N-3 and FeN4-4N-3, which results in the decrease of the adsorption strength of CO and the energy barrier for desorbing CO*. The as-synthesized Fe-Nx neighbored by graphitic nitrogen exhibited maximum faradaic efficiency of 91% at a lower overpotential of 390 mV. Due to the increase in the graphitic N, the catalysts perform efficiently for 35 h without any drop in current density.
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