Atomic layer confined vacancies for atomic-level insights into carbon dioxide electroreduction

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作者
Shan Gao,Zhao-Yan Sun,Wei Liu,Xingchen Jiao,Xiaolong Zu,Qitao Hu,Yongfu Sun,Takeshi Yao,Wenhua Zhang,Shiqiang Wei,Yi Xie
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:8 (1) 被引量:364
标识
DOI:10.1038/ncomms14503
摘要

The role of oxygen vacancies in carbon dioxide electroreduction remains somewhat unclear. Here we construct a model of oxygen vacancies confined in atomic layer, taking the synthetic oxygen-deficient cobalt oxide single-unit-cell layers as an example. Density functional theory calculations demonstrate the main defect is the oxygen(II) vacancy, while X-ray absorption fine structure spectroscopy reveals their distinct oxygen vacancy concentrations. Proton transfer is theoretically/experimentally demonstrated to be a rate-limiting step, while energy calculations unveil that the presence of oxygen(II) vacancies lower the rate-limiting activation barrier from 0.51 to 0.40 eV via stabilizing the formate anion radical intermediate, confirmed by the lowered onset potential from 0.81 to 0.78 V and decreased Tafel slope from 48 to 37 mV dec-1. Hence, vacancy-rich cobalt oxide single-unit-cell layers exhibit current densities of 2.7 mA cm-2 with ca. 85% formate selectivity during 40-h tests. This work establishes a clear atomic-level correlation between oxygen vacancies and carbon dioxide electroreduction.
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