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Self-healing Cu single-atom catalyst for high-performance electrocatalytic CO2 methanation

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作者
Wanyu Shen,Xiaoping Gao,Qichen Liu,Peng Li,Rui Huang,Yi Tan,Zihan Wang,Yilin Zhang,Fan Zhao,Xin Wang,Shiyu Ji,Xusheng Zheng,Yu Zhang,Yuen Wu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 7943-7943 被引量:17
标识
DOI:10.1038/s41467-025-63274-9
摘要

To address the escalating challenge of atmospheric CO2 emissions, this study proposes a self-healing Cu single atom (SA) catalyst design. By partially cleaving Cu-N bonds via hydrogen evolution reaction (HER), coordinatively unsaturated Cu sites form and spontaneously bond with adjacent ZrO2 clusters which are strategically positioned near the Cu SA, creating a hybrid Cu-N/O structure with enhanced performance. In situ Raman and X-ray absorption fine structure (XAFS) measurements confirm the dynamic reconstruction of coordination environment from CuN4 to CuN1O2 under electrochemical conditions. The reconstructed CuN1O2 achieve observed performance for CO2-to-CH4 conversion, reaching a Faradaic efficiency of 87.06 ± 3.22% at -500 mA cm-2 and 80.21 ± 1.01% at -1000 mA cm-2, which are threefold and tenfold higher than those of pristine CuN4. Furthermore, a 25-h stability test with 500 mA cm-2 current density in a membrane electrode assembly (MEA) electrolyzer demonstrates minimal activity decay (< 3%). Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that self-healing mechanisms optimize intermediate adsorption and electron distribution. This strategy enables efficient muti-electron transfer processes under industrial conditions, working to improve the stability of single-atom catalysts and develop scalable catalytic systems.
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