A hierarchical Single-Atom Ni-N3-C catalyst for electrochemical CO2 reduction to CO with Near-Unity faradaic efficiency in a broad potential range

催化作用 还原(数学) 法拉第效率 电化学 Atom(片上系统) 航程(航空) 化学工程 材料科学 化学 物理化学 电极 有机化学 工程类 数学 几何学 复合材料 嵌入式系统
作者
Wei Hua,Hao Sun,Ling Lin,Qiaoqiao Mu,Baiyu Yang,Yanhui Su,Huirong Wu,Fenglei Lyu,Jun Zhong,Zhao Deng,Yang Peng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:446: 137296-137296 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.137296
摘要

Single-atom Ni-N 3 -C catalyst is mass-produced through a facile template method exploiting the natural guar gum, affording a near-unity CO selectivity in a wide potential range. Prolonged stable CO production is demonstrated with a membrane electrode assembly with an extraordinary energy efficiency of 41.0%. • Single-atom Ni-N 3 -C catalyst (Ni-N/PC) is mass-produced by using natural guar gum; • Ni-N 3 -C stabilizes *COOH through stronger Ni-C bond and affords low overpotential. • Prolonged stable CO production is demonstrated in a membrane electrode assembly. Single atom catalysts have been shown highly efficient in catalyzing electrochemical CO 2 reduction, but their large-scale synthesis and stable operation under high current densities are still rare. Herein a simple but robust template method was developed for gram-scale synthesis of single-atom Ni-N-C catalysts, exploiting the natural abundant and low-cost guar gum. Benefiting from its under-coordinated Ni-N 3 configuration to afford high catalytic activity and hierarchical porosity to promote mass/charge transfer, the as-fabricated Ni-N/PC catalyst achieved a low overpotential of 290 mV at 100 mA cm −2 , a near-unity faradaic efficiency in a wide potential range from −0.3 V to −0.8 V, as well as a stable operation for >70 h in a membrane electrode assembly with an extraordinary total energy efficiency of 41.0%. By mass-producing a highly potent single-atom electrocatalyst and demonstrating its stable operation in industrial-relevant conditions, this study paves the way for fulfilling the carbon neutral goal through the carbon-negative CO 2 RR process.
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