Active Sites on Heterogeneous Single-Iron-Atom Electrocatalysts in CO2 Reduction Reaction

催化作用 电催化剂 密度泛函理论 选择性 吸附 Atom(片上系统) 化学 金属 无机化学 光化学 吸收光谱法 电化学 计算化学 电极 物理化学 计算机科学 有机化学 物理 嵌入式系统 量子力学
作者
Xueping Qin,Shangqian Zhu,Fei Xiao,Lulu Zhang,Minhua Shao
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:4 (7): 1778-1783 被引量:185
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.9b01015
摘要

Nitrogen-coordinated single-metal-atom catalysts (Me–N–C) are promising candidates for CO2-to-CO electrocatalytic conversion. The nature of real active sites in this type of electrocatalyst, however, is not clear. In this Letter, we study the specific interactions between the reaction intermediates and a model single-iron-atom catalyst (Fe–N–C) by combining in situ infrared absorption spectroscopy and density functional theory (DFT) calculations. For the first time, we confirm that the Fe centers in Fe–N4 moieties hosted by the complete graphitic layer are poisoned by strongly adsorbed CO and should not be the real active sites for gaseous CO production. Further DFT calculation results suggest that the high CO selectivity and reaction rate may originate from Fe–N4 moieties embedded in a defective graphitic layer that have balanced binding energies of adsorbed COOH and CO species. These findings add significant new insights into the mechanisms of CO2 reduction on carbon-based single-atom electrocatalysts.
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