Total conversion of centimeter-scale nickel foam into single atom electrocatalysts with highly selective CO2 electrocatalytic reduction in neutral electrolyte

电催化剂 材料科学 电解质 法拉第效率 催化作用 化学工程 电化学 无机化学 纳米技术 电极 化学 冶金 物理化学 有机化学 工程类
作者
Qikui Fan,Pengfei Gao,Shan Ren,Yunteng Qu,Chuncai Kong,Jian Yang,Yuen Wu
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:16 (2): 2003-2010 被引量:22
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4472-6
摘要

To improve the atomic utilization of metals and reduce the cost of industrialization, the one-step total monoatomization of macroscopic bulk metals, as opposed to nanoscale metals, is effective. In this study, we used a thermal diffusion method to directly convert commercial centimeter-scale Ni foam to porous Ni single-atom-loaded carbon nanotubes (CNTs). As expected, owing to the coating of single-atom on porous, highly conductive CNT carriers, Ni single-atom electrocatalysts (Ni-SACs) exhibit extremely high activity and selectivity in CO2 electroreduction (CO2RR), yielding a current density of > 350 mA/cm2, a selectivity for CO of > 91% under a flow cell configuration using a 1 M potassium chloride (KCl) electrolyte. Based on the superior activity of the Ni-SACs electrocatalyst, an integrated gas-phase electrochemical zero-gap reactor was introduced to generate a significant amount of CO current for potential practical applications. The overall current can be increased to 800 mA, while maintaining CO Faradaic efficiencies (FEs) at above 90% per unit cell. Our findings and insights on the active site transformation mechanism for macroscopic bulk Ni foam conversion into single atoms can inform the design of highly active single-atom catalysts used in industrial CO2RR systems.
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