Modulating the Coordination Environment of Atomically Dispersed Nickel for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction at Low Overpotentials and Industrial Current Densities

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作者
Yichen Sun,Xiaolu Liu,Jiazheng Tian,Zixuan Zhang,Yang Li,Yinghui Xie,Mengjie Hao,Zhongshan Chen,Hui Yang,Geoffrey I. N. Waterhouse,Shengqian Ma,Xiangke Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (4): 4528-4540 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c14192
摘要

Electrocatalytic CO2-to-CO conversion with a high CO Faradaic efficiency (FECO) at low overpotentials and industrial-level current densities is highly desirable but a huge challenge over non-noble metal catalysts. Herein, graphitic N-rich porous carbons supporting atomically dispersed nickel (NiN4–O sites with an axial oxygen) were synthesized (denoted as O–Ni–Nx–GC) and applied as the cathode catalyst in a CO2RR flow cell. O–Ni–Nx–GC showed excellent selectivity with a FECO over 92% at low overpotentials ranging from 17 to 60 mV, and over 99% at 80 mV. The FECO was ∼100% at industrial-level current densities from 200 to 900 mA·cm–2. Impressively, O–Ni–Nx–GC delivered a state-of-the-art FECO of >96% at 1 A·cm–2 with a turnover frequency of 81.5 s–1 in a 1 M KOH electrolyte. O–Ni–Nx–GC offered excellent stability during long-term operation for 140 h at 100 mA·cm–2, maintaining a FECO > 99%. Mechanism studies revealed that the axial oxygen at the atomically dispersed nickel sites enhanced electron delocalization, with the graphitic N-rich porous carbon support lowering the CO2-to-CO energy barrier and inducing a negative shift in the Ni-3d d-band center, effectively promoting the formation of the *COOH intermediate while weakening the adsorption of the *CO intermediate, thus optimizing the catalytic activity/selectivity to CO under practical conditions.
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