Highly Stable Single‐Atom Modified MXenes as Cathode‐Active Bifunctional Catalysts in Li–CO2 Battery

MXenes公司 双功能 过电位 材料科学 阴极 催化作用 析氧 化学工程 无机化学 纳米技术 物理化学 有机化学 电化学 化学 电极 工程类
作者
Yu Shi,Bo Wei,Dominik Legut,Shiyu Du,Joseph S. Francisco,Ruifeng Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (48) 被引量:22
标识
DOI:10.1002/adfm.202210218
摘要

Abstract The exploration of cathode catalysts with low overpotentials for the carbon dioxide reduction reaction (CRR) and carbon dioxide evolution reaction (CER) is essential for Li–CO 2 batteries. MXenes have been suggested as potential candidates owing to their high electrical conductivity and effective CO 2 activation performance. Herein, the stability and bifunctional CRR/CER catalytic activities of bare MXene (M 2 C), oxygen‐functionalized MXene (M 2 CO 2 ), and single‐atom (SA) modified M 2 CO 2 are systemically investigated. Among bare MXenes, Mo 2 C exhibits the best catalytic activity, comparable to that of carbon nanotubes, whereas oxygen‐functionalized MXene has poor activity. Notably, introducing an SA on the surface of oxygen‐functionalized MXene decreases the overpotential by 12.2%–68.1%, which can even outperform graphene catalysts, suggesting their potential as bifunctional cathode catalysts in Li–CO 2 batteries. This high activity is appropriate reactivity in origin, as highlighted by the volcano‐type relationship between the Gibbs free energy and the overpotential for key steps. The descriptor ξ, which is related to adsorption behavior, is effective in determining bifunctional catalytic activity, which depends on the ability of SA electrons to fill antibonding orbitals and SA–oxygen/carbon bonding. This study not only identifies promising MXene‐based bifunctional CRR/CER catalysts but also provides a rational design rule for SA modified catalysts.
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