Optimizing particle morphology: Atomic iron–nitrogen centers with graphitic‐N for highly efficient CO2 electroreduction

过电位 法拉第效率 催化作用 化学 活化能 碳纤维 粒径 氮气 化学工程 电化学 分析化学(期刊) 材料科学 电极 物理化学 有机化学 工程类 复合材料 复合数
作者
Yan Li,Libin Zeng,Zilin Zhao,Qinghua Zhang,Yang Hou
出处
期刊:Aiche Journal [Wiley]
卷期号:70 (6) 被引量:5
标识
DOI:10.1002/aic.18397
摘要

Abstract Transition metal‐coordinated nitrogen sites on carbon catalysts (M‐N‐C) hold potential for CO 2 electroreduction (CO 2 ER), but optimal morphology and active sites are unclear. We introduce a novel approach, developing zeolitic imidazolate framework‐8 (ZIF‐8)‐derived carbon catalysts with Fe‐N and graphitic‐N sites (Fe 2 ‐NC) via molecular confinement and thermal activation. Fine‐tuning ZIF‐8 size and activation temperature yielded 44.98% active N sites. The 300 nm Fe2‐NC catalyst displayed outstanding CO 2 ‐to‐CO conversion, with a 170 mV overpotential and 94.3% Faradaic efficiency at −0.5 V, outperforming state‐of‐the‐art materials. Enhanced CO 2 ER kinetics and conductivity contributed to this superiority. Results highlight the correlation between maximum CO Faradaic efficiency and cumulative Fe‐N/graphitic‐N sites, dependent on size and activation. The 300 nm Fe 2 ‐NC in a gas diffusion electrode‐loaded flow cell achieved a 15.3‐fold CO partial current density increase. In a Zn‐CO 2 battery, the 300 nm Fe 2 ‐NC demonstrated a peak power density of 0.618 mW cm −2 , showcasing energy storage potential.
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