Designing Undercoordinated Ni–Nx and Fe–Nx on Holey Graphene for Electrochemical CO2 Conversion to Syngas

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作者
Joshua Leverett,Rahman Daiyan,Lele Gong,Kevin Iputera,Zizheng Tong,Jiangtao Qu,Zhipeng Ma,Qingran Zhang,Soshan Cheong,Julie M. Cairney,Ru‐Shi Liu,Xunyu Lu,Zhenhai Xia,Liming Dai,Rose Amal
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (7): 12006-12018 被引量:68
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c03293
摘要

In this study, we propose a top-down approach for the controlled preparation of undercoordinated Ni-Nx (Ni-hG) and Fe-Nx (Fe-hG) catalysts within a holey graphene framework, for the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) to synthesis gas (syngas). Through the heat treatment of commercial-grade nitrogen-doped graphene, we prepared a defective holey graphene, which was then used as a platform to incorporate undercoordinated single atoms via carbon defect restoration, confirmed by a range of characterization techniques. We reveal that these Ni-hG and Fe-hG catalysts can be combined in any proportion to produce a desired syngas ratio (1-10) across a wide potential range (-0.6 to -1.1 V vs RHE), required commercially for the Fischer-Tropsch (F-T) synthesis of liquid fuels and chemicals. These findings are in agreement with our density functional theory calculations, which reveal that CO selectivity increases with a reduction in N coordination with Ni, while unsaturated Fe-Nx sites favor the hydrogen evolution reaction (HER). The potential of these catalysts for scale up is further demonstrated by the unchanged selectivity at elevated temperature and stability in a high-throughput gas diffusion electrolyzer, displaying a high-mass-normalized activity of 275 mA mg-1 at a cell voltage of 2.5 V. Our results provide valuable insights into the implementation of a simple top-down approach for fabricating active undercoordinated single atom catalysts for decarbonized syngas generation.
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