Can N, S Cocoordination Promote Single Atom Catalyst Performance in CO2RR? Fe‐N2S2 Porphyrin versus Fe‐N4 Porphyrin

卟啉 催化作用 质子化 化学 结晶学 材料科学 光化学 Atom(片上系统) 有机化学 离子 计算机科学 嵌入式系统
作者
Shoufu Cao,Shuxian Wei,Xiaofei Wei,Sainan Zhou,Hongyu Chen,Yuying Hu,Zhaojie Wang,Siyuan Liu,Wenyue Guo,Xiaoqing Lü
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:17 (29): e2100949-e2100949 被引量:103
标识
DOI:10.1002/smll.202100949
摘要

Single atom catalysts (SACs) are promising electrocatalysts for CO2 reduction reaction (CO2 RR), in which the coordination environment plays a crucial role in intrinsic catalytic activity. Taking the regular Fe porphyrin (Fe-N4 porphyrin) as a probe, the study reveals that the introduction of opposable S atoms into N coordination (Fe-N2 S2 porphyrin) allows for an appropriate electronic structural optimization on active sites. Owing to the additional orbitals around the Fermi level and the abundant Fe dz2 orbital occupation after S substitution, N, S cocoordination can effectively tune SACs and thus facilitating protonation of intermediates during CO2 RR. CO2 RR mechanisms lead to possible C1 products via two-, six-, and eight-electron pathways are systematically elucidated on Fe-N4 porphyrin and Fe-N2 S2 porphyrin. Fe-N4 porphyrin yields the most favorable product of HCOOH with a limiting potential of -0.70 V. Fe-N2 S2 porphyrin exhibits low limiting potentials of -0.38 and -0.40 V for HCOOH and CH3 OH, respectively, surpassing those of most Cu-based catalysts and SACs. Hence, the N, S cocoordination might provide better catalytic environment than regular N coordination for SACs in CO2 RR. This work demonstrates Fe-N2 S2 porphyrin as a high-performance CO2 RR catalyst, and highlights N, S cocoordination regulation as an effective approach to fine tune high atomically dispersed electrocatalysts.
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