Scalable synthesis of coordinatively unsaturated metal-nitrogen sites for large-scale CO2 electrolysis

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作者
Ji Wei Sun,Xuefeng Wu,Peng Fei Liu,Jiacheng Chen,Yuanwei Liu,Zhen Xin Lou,Jia Zhao,Hai Yang Yuan,Aiping Chen,Xue Lu Wang,Minghui Zhu,Sheng Dai,Hua Gui Yang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s41467-023-36688-6
摘要

Practical electrochemical CO2-to-CO conversion requires a non-precious catalyst to react at high selectivity and high rate. Atomically dispersed, coordinatively unsaturated metal-nitrogen sites have shown great performance in CO2 electroreduction; however, their controllable and large-scale fabrication still remains a challenge. Herein, we report a general method to fabricate coordinatively unsaturated metal-nitrogen sites doped within carbon nanotubes, among which cobalt single-atom catalysts can mediate efficient CO2-to-CO formation in a membrane flow configuration, achieving a current density of 200 mA cm-2 with CO selectivity of 95.4% and high full-cell energy efficiency of 54.1%, outperforming most of CO2-to-CO conversion electrolyzers. By expanding the cell area to 100 cm2, this catalyst sustains a high-current electrolysis at 10 A with 86.8% CO selectivity and the single-pass conversion can reach 40.4% at a high CO2 flow rate of 150 sccm. This fabrication method can be scaled up with negligible decay in CO2-to-CO activity. In situ spectroscopy and theoretical results reveal the crucial role of coordinatively unsaturated metal-nitrogen sites, which facilitate CO2 adsorption and key *COOH intermediate formation.
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