Boosting Industrial‐Level CO2 Electroreduction of N‐Doped Carbon Nanofibers with Confined Tin‐Nitrogen Active Sites via Accelerating Proton Transport Kinetics

材料科学 过电位 塔菲尔方程 催化作用 交换电流密度 化学工程 碳纳米纤维 活化能 离解(化学) 纳米纤维 物理化学 纳米技术 电极 碳纳米管 电化学 冶金 工程类 化学 生物化学
作者
Xiangzhao Hu,Yingnan Liu,Jun Zheng,Xiaoxuan Yang,Jiantong Li,Sixing Zheng,Bin Yang,Zhongjian Li,Xiahan Sang,Yuanyuan Li,Lecheng Lei,Yang Hou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (4) 被引量:29
标识
DOI:10.1002/adfm.202208781
摘要

Abstract The development of highly efficient robust electrocatalysts with low overpotential and industrial‐level current density is of great significance for CO 2 electroreduction (CO 2 ER), however the low proton transport rate during the CO 2 ER remains a challenge. Herein, a porous N‐doped carbon nanofiber confined with tin‐nitrogen sites (Sn/NCNFs) catalyst is developed, which is prepared through an integrated electrospinning and pyrolysis strategy. The optimized Sn/NCNFs catalyst exhibits an outstanding CO 2 ER activity with the maximum CO FE of 96.5%, low onset potential of −0.3 V, and small Tafel slope of 68.8 mV dec −1 . In a flow cell, an industrial‐level CO partial current density of 100.6 mA cm −2 is achieved. In situ spectroscopic analysis unveil the isolated SnN site acted as active center for accelerating water dissociation and subsequent proton transport process, thus promoting the formation of intermediate *COOH in the rate‐determining step for CO 2 ER. Theoretical calculations validate pyrrolic N atom adjacent to the SnN active species assisted reducing the energy barrier for *COOH formation, thus boosting the CO 2 ER kinetics. A Zn‐CO 2 battery is designed with the cathode of Sn/NCNFs, which delivers a maximum power density of 1.38 mW cm −2 and long‐term stability.
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