Universal domino reaction strategy for mass production of single-atom metal-nitrogen catalysts for boosting CO2 electroreduction

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作者
Xingpu Wang,Shaosong Ding,Tong Yue,Ying Zhu,Mingwei Fang,Xueyan Li,Guozheng Xiao,Ying Zhu,Liming Dai
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:82: 105689-105689 被引量:63
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105689
摘要

Developing efficient electrocatalysts for CO2 conversion into value-added chemicals is highly desirable, but it still remains a great challenge to achieve scalable production of these catalysts that displays simultaneously the high product selectivity and large current density at a low overpotential. Here, we develop a universal domino reaction strategy for mass production of metal single atoms anchored on N-doped carbon nanosheets (M-SA/NC), including Fe, Co, Ni, Mn, Mo, Pd and combinations thereof (among FeCo, FeNi, FeCoNi) SA/NC by ball-milling of polyaniline (PANI) with appropriate salts (e.g., NiCl2, NaCl and NaNO3), followed by pyrolysis. During pyrolysis, NaNO3 is decomposed in-situ to release gases capable of blowing PANI, then carbon sheets from carbonized PANI is etched by O2 to create microporous and the aggregated metal particles is etch by CO. The as-prepared Ni-SA/NC exhibits an extraordinary catalytic activity for CO2 reduction to CO, yielding a large current density of 213.2 mA cm−2 with CO Faradaic efficiency up to 96.9% at a low overpotential of 0.55 V in a flow cell. DFT calculations reveal that N atoms in NiN4 species act as the active sites for CO2RR, rather than conventional Ni atoms, since the neighboring pyrrolic-N induces electrons of Ni 4s orbitals shift to adjacent N 2s orbitals in NiN4, leading to a high N 2s electron density for facilitating the COOH* formation. This work provides not only a rational design concept for mass preparation of M-SA/NC heterogeneous electrocatalyst for CO2 reduction and beyond, but also a deep insight of an electron transfer mechanism for CO2RR.
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