Activating dynamic atomic-configuration for single-site electrocatalyst in electrochemical CO2 reduction

法拉第效率 电催化剂 化学物理 电化学 Atom(片上系统) 材料科学 化学 选择性 纳米技术 催化作用 电极 物理化学 计算机科学 嵌入式系统 生物化学
作者
Chia‐Shuo Hsu,Jiali Wang,You‐Chiuan Chu,Jui-Hsien Chen,Chia‐Ying Chien,Kuo‐Hsin Lin,Li Duan Tsai,Hsiao‐Chien Chen,Yen‐Fa Liao,Nozomu Hiraoka,Yuan‐Chung Cheng,Hao Ming Chen
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:38
标识
DOI:10.1038/s41467-023-40970-y
摘要

One challenge for realizing high-efficiency electrocatalysts for CO2 electroreduction is lacking in comprehensive understanding of potential-driven chemical state and dynamic atomic-configuration evolutions. Herein, by using a complementary combination of in situ/operando methods and employing copper single-atom electrocatalyst as a model system, we provide evidence on how the complex interplay among dynamic atomic-configuration, chemical state change and surface coulombic charging determines the resulting product profiles. We further demonstrate an informative indicator of atomic surface charge (φe) for evaluating the CO2RR performance, and validate potential-driven dynamic low-coordinated Cu centers for performing significantly high selectivity and activity toward CO product over the well-known four N-coordinated counterparts. It indicates that the structural reconstruction only involved the dynamic breaking of Cu-N bond is partially reversible, whereas Cu-Cu bond formation is clearly irreversible. For all single-atom electrocatalysts (Cu, Fe and Co), the φe value for efficient CO production has been revealed closely correlated with the configuration transformation to generate dynamic low-coordinated configuration. A universal explication can be concluded that the dynamic low-coordinated configuration is the active form to efficiently catalyze CO2-to-CO conversion.
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