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Nickel Nanocluster‐Stabilized Unsaturated Ni–N3 Atomic Sites for Efficient CO2‐to‐CO Electrolysis at Industrial‐Level Current

催化作用 法拉第效率 纳米团簇 材料科学 吸附 冶金 纳米技术 化学工程 电化学 化学 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Wuyi Zhang,Asad Mehmood,Ghulam Ali,Hui Liu,Liyuan Chai,Jun Wu,Jun Wu,Min Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (13): e202424552-e202424552 被引量:33
标识
DOI:10.1002/anie.202424552
摘要

Abstract Unsaturated Ni single‐atom catalysts (SACs), Ni‐N x ( x =1,2,3), have been investigated to break the conventional Ni‐N 4 structural limitation and provide more unoccupied 3d orbitals for CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) intermediates adsorption, but their intrinsically low structural stability has seriously hindered their applications. Here, we developed a strategy by integrating Ni nanoclusters to stabilize unsaturated Ni‐N 3 atomic sites for efficient CO 2 electroreduction to CO at industrial‐level current. Density Functional Theory (DFT) calculations revealed that the incorporation of Ni nanocluster effectively stabilizes the unsaturated Ni‐N 3 atomic sites and modulates their electronic structure to enhance the adsorption of the key intermediate *COOH during CO 2 RR. Guided by these insights, we prepared an optimal composite catalyst, Ni 6 @Ni‐N 3 , which features a Ni 6 N 6 nanocluster surrounded by six Ni‐N 3 single atoms sites, through low‐temperature pyrolysis. The morphology and coordinative structure of Ni 6 @Ni‐N 3 were confirmed by an aberration‐corrected transmission electron microscope (AC‐TEM) and X‐ray absorption spectroscopy (XAS). As a result, Ni 6 @Ni‐N 3 demonstrated a remarkably high CO Faradaic efficiency (FE CO ) of 99.7 % and a turnover frequency (TOF) of 83984.2 h −1 at 500 mA cm −2 under −1.15 V RHE , much better than those of Ni‐N 4 with a lower FE CO of 86 % at 100 mA cm −2 and a TOF of 39309.9 h −1 under identical potential. XAS analyses of Ni 6 @Ni‐N 3 before and after long‐term CO 2 RR testing confirmed the excellent stability of its coordinative environment. This work highlights a generalizable approach for stabilizing unsaturated single‐atom catalysts, paving the way for their application in high‐performance CO 2 RR.
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