Efficient Acidic CO 2 Reduction via Local Strain Engineering of Nickel Single‐Atom Catalysts

材料科学 法拉第效率 催化作用 化学工程 电解质 吸附 碳纳米管 碳纤维 电催化剂 无机化学 可逆氢电极 电解水 电解 还原(数学) 拉伤 电流密度 纳米技术 密度泛函理论 分解水 纳米棒 电极
作者
Yong Liu,Yun Song,Xuyun Guo,Jun‐Jie Zhang,Jianjun Su,Geng Li,Qiang Zhang,Yinger Xin,Weihua Guo,Pei Xiong,Molly Meng‐Jung Li,Shenlong Zhao,Valeria Nicolosi,Ruquan Ye
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.74773
摘要

ABSTRACT Acidic CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) enhances carbon efficiency and electrolyzer stability. Although nickel single‐atom catalysts (Ni‐SACs) effectively convert CO 2 into CO in neutral/alkaline conditions, their performance in acid is hindered by the competing hydrogen evolution reaction (HER). Here we show that tailoring the local strain of Ni‐SACs can enhance HER suppression across a broad potential range. Density functional theory calculations indicate that Ni‐SACs with steeper local curvature reduce *COOH adsorption by 0.23 eV while increasing *H adsorption by 0.55 eV. To validate our predictions, we leveraged carbon nanotubes (CNTs) with different diameters to impose controlled local strain on Ni‐SACs. In Ar‐saturated 0.05 M H 2 SO 4 , Ni‐SACs on 5‐nm CNTs (Ni‐CNT5) demonstrate the lowest hydronium and water reduction current density among all types of CNT support. In a flow cell with pH 1 catholyte, Ni‐CNT5 maintains >95% CO Faradaic efficiency (FE) from −1.0 to −2.4 V, in contrast to Ni‐CNT50 with ∼70% FE(H 2 ) at −2.4 V. Owing to its effective HER inhibition, Ni‐CNT5 achieves 80% single‐pass CO 2 conversion efficiency and operates stably in acidic electrolyte with negligible loss in current or selectivity. Our findings expand the toolbox for SACs engineering, highlighting the critical role of local stress for controlled activity.
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