Gas-Molecular-Shearing Carbon Vacancy Defect Networks on Ni-Doped Carbon Fibers for High-Efficiency Low-Concentration CO 2 Enrichment and Electrocatalytic Reduction

材料科学 空位缺陷 催化作用 碳纤维 化学工程 碳纳米纤维 密度泛函理论 吸附 法拉第效率 纳米技术 解吸 吸附 二氧化碳电化学还原 电催化剂 电子结构 可逆氢电极
作者
Jinsheng Lai,Youpeng Xiong,Aerman Habadati,Meng Li,Mei Zhang,Tianwen Fang,Ke Yi,Yuzhu Ding,Xinghuan Liu,Xin Jia
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (4): 3647-3661 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c08111
摘要

Electrocatalytic systems for low-concentration CO2 reduction still face significant challenges in the mass transport and electronic modulation of catalyst active sites. This study developed a gas-molecular shear strategy for constructing nickel single atoms (Ni SAs) and nanocluster (NC)-doped carbon nanofiber catalysts (Ni/TCNFS-10CA; CA = cyanuric acid) featuring carbon vacancy defect engineering and hierarchical porous channels, which created a microenvironment that enhances CO2 adsorption and enrichment. Density functional theory (DFT) and experimental analysis revealed the effects of carbon vacancy defect-engineered Ni NCs on Ni SAs: (1) The introduction of carbon defects can regulate the local electronic structure and pore size, thereby achieving efficient enrichment and adsorption of CO2. (2) Carbon vacancy defects can optimize the key *COOH adsorption and reduce the desorption energy of *CO. The resulting catalyst achieved a near-unity Faradaic efficiency (FE) for CO (FECO ≈100%) over a broad potential window. Notably, it maintained a high FECO of 88.2% under a 20% CO2 atmosphere. The catalyst exhibited durability exceeding 306 h (1102 cycles) in a Zn-CO2 battery and over 80 h (288 cycles) in a Zn-CO2 (20% CO2) battery. This work proposes a high-activity carbon vacancy defect engineering strategy, delivering an innovative approach for efficient ECO2RR and the direct conversion of industrial flue gases.
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