Atomic Replacement of PtNi Nanoalloys within Zn-ZIF-8 for the Fabrication of a Multisite CO2 Reduction Electrocatalyst

催化作用 化学 电催化剂 纳米晶 金属 多金属氧酸盐 过渡金属 烧结 多相催化 化学工程 无机化学 纳米技术 物理化学 材料科学 有机化学 电化学 工程类 电极
作者
Xiaolu Wang,Ninghua Fu,Jincheng Liu,Ke Yu,Zhi Li,Zhongfei Xu,Liang Xiao,Peng Zhu,Chenliang Ye,Awu Zhou,Ang Li,Lirong Zheng,Limin Liu,Chen Chen,Dingsheng Wang,Qing Peng,Yadong Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (50): 23223-23229 被引量:75
标识
DOI:10.1021/jacs.2c11497
摘要

Exploring the transformation/interconversion pathways of catalytic active metal species (single atoms, clusters, nanoparticles) on a support is crucial for the fabrication of high-efficiency catalysts, the investigation of how catalysts are deactivated, and the regeneration of spent catalysts. Sintering and redispersion represent the two main transformation modes for metal active components in heterogeneous catalysts. Herein, we established a novel solid-state atomic replacement transformation for metal catalysts, through which metal atoms exchanged between single atoms and nanoalloys to form a new set of nanoalloys and single atoms. Specifically, we found that the Ni of the PtNi nanoalloy and the Zn of the ZIF-8-derived Zn1 on nitrogen-doped carbon (Zn1-CN) experienced metal interchange to produce PtZn nanocrystals and Ni single atoms (Ni1-CN) at high temperature. The elemental migration and chemical bond evolution during the atomic replacement displayed a Ni and Zn mutual migration feature. Density functional theory calculations revealed that the atomic replacement was realized by endothermically stretching Zn from the CN support into the nanoalloy and exothermically trapping Ni with defects on the CN support. Owing to the synergistic effect of the PtZn nanocrystal and Ni1-CN, the obtained (PtZn)n/Ni1-CN multisite catalyst showed a lower energy barrier of CO2 protonation and CO desorption than that of the reference catalysts in the CO2 reduction reaction (CO2RR), resulting in a much enhanced CO2RR catalytic performance. This unique atomic replacement transformation was also applicable to other metal alloys such as PtPd.
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