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Nature of Oxygen-Containing Groups on Carbon for High-Efficiency Electrocatalytic CO2 Reduction Reaction

化学 催化作用 格式化 氧化还原 环氧化物 氧气 金属 碳纤维 功能群 无机化学 组合化学 有机化学 复合数 复合材料 材料科学 聚合物
作者
Yang Fa,Xiao Ma,Wen‐Bin Cai,Ping Song,Weilin Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (51): 20451-20459 被引量:137
标识
DOI:10.1021/jacs.9b11123
摘要

Oxygen-containing groups on carbon materials can induce high catalytic activity for some reactions. Herein, on the basis of a series of metal-free single-layer graphene nanodisks (GNDs) with different surface contents of oxygen-containing groups for highly efficient electrocatalytic reduction reaction of CO2 (CO2RR) to produce formate (HCOO–), we find that the CO2RR catalytic performance is only positively correlated with the surface content of carboxyl groups. While significantly, the density functional theory calculations demonstrate that the observed high CO2RR catalytic activity originates not from the solo carboxyl or other oxygen-containing groups, but from the synergistic effect between carboxyl groups and adjacent other types of groups (namely, hydroxyl, epoxide, and carbonyl) on GNDs. Inspired by such new knowledge, we further find that if the GND catalyst can “alternate work with rest”, its electrocatalytic activity for CO2RR can be regenerated cyclically via a simple electro-oxidation method to regenerate the surface carboxyl groups, achieving a remarkable long-term durability for CO2RR. Such work deepens our understanding of the role of oxygen-containing groups in catalysis and provides a new strategy for the design and synthesis of high-performance metal-free carbon-based catalysts.
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