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Transforming active sites in nickel–nitrogen–carbon catalysts for efficient electrochemical CO2 reduction to CO

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作者
Rahman Daiyan,Xiaofeng Zhu,Zizheng Tong,Lele Gong,Amir Razmjou,Ru‐Shi Liu,Zhenhai Xia,Xunyu Lu,Liming Dai,Rose Amal
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:78: 105213-105213 被引量:96
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105213
摘要

Nitrogen-coordinated single-atom catalysts (SACs) catalyzed electrochemical reduction of CO2 (CO2RR) to CO has emerged as a promising strategy in the management of the global carbon cycle. Herein, we carried out density functional theory (DFT) calculations to investigate the role of possible Ni-Nx and Ni–C4 coordinations in CO2RR catalysis. We discover that the free energy change for CO2RR is lowered with a decrease in Ni-Nx coordination number, with Ni–C4 displaying the lowest overpotential for CO2RR. Using these findings, we develop an effective strategy to transform Ni–N4 to Ni–C4 active sites by removing N moieties within Ni embedded in a hollow nitrogen-doped carbon shell ([email protected]). We demonstrate an improvement in CO selectivity with this transformation of active sites and the optimized [email protected] catalyst is capable of converting CO2 to CO with high Faradaic efficiency for CO (FECO) of 96% and a current density (j) of −35 mA cm−2 at an applied potential of −1 V vs Reversible Hydrogen Electrode (RHE). When adopted in a high-throughput gas diffusion electrolyzer, the newly-developed superhydrophobic catalyst is capable of maintaining CO selectivity >95% over a wide range of applied cell voltages from 2.4 V to 3 V with high current densities (~100 mA cm−2 at 3 V). Our insights and findings with active site transformation in Ni–N–C SACs can serve as guidelines for designing highly active SACs for large-scale CO2RR systems.
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