Theory-Guided Modulation of Optimal Silver Nanoclusters toward Efficient CO2 Electroreduction

纳米团簇 材料科学 过电位 密度泛函理论 电化学 氧化还原 纳米技术 法拉第效率 工作职能 化学物理 物理化学 电极 计算化学 冶金 化学 图层(电子)
作者
Hongcheng Mi,Chenxing Yi,Min‐Rui Gao,Mulin Yu,Subiao Liu,Jing‐Li Luo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (38): 43257-43264 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsami.2c10930
摘要

Electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR), when powered with intermittent but renewable energies, holds an attractive potential to close the anthropogenic carbon cycle through efficiently converting the exorbitantly discharged CO 2 to value-added fuels and/or chemicals and consequently reduce the greenhouse gas emission. Through systematically integrating the density functional theory calculations, the modeling statistics of various proportions of CO 2 RR-preferred electroactive sites, and the theoretical work function results, it is found that the crystallographically unambiguous Ag nanoclusters (NCs) hold a high possibility to enable an outstanding CO 2 RR performance, particularly at an optimal size of around 2 nm. Motivated by this, homogeneously well-distributed ultrasmall Ag NCs with an average size of ∼2 nm (2 nm Ag NCs) were thus synthesized to electrochemically promote CO 2 RR, and the results demonstrate that the 2 nm Ag NCs are able to achieve a significantly larger CO partial current density [ j (CO) ], an impressively higher CO Faraday efficiency of over 93.8%, and a lower onset overpotential (η) of 146 mV as well as a remarkably higher energy efficiency of 62.8% and a superior stability of 45 h as compared to Ag nanoparticles (Ag NPs) and bulk Ag. Both theoretical computations and experimental results clearly and persuasively demonstrate an impressive promotion effect of the crystallographically explicit atomic structure for electrochemically reducing CO 2 to CO, which exemplifies a novel design approach to more benchmark metal-based platforms for advancing the practically large-scale CO 2 RR application.
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