Geometric and Electronic Structural Engineering of Isolated Ni Single Atoms for a Highly Efficient CO2 Electroreduction

催化作用 密度泛函理论 法拉第效率 材料科学 Atom(片上系统) 选择性 掺杂剂 纳米技术 结晶学 电化学 物理化学 计算化学 兴奋剂 化学 电极 有机化学 光电子学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Inae Song,Yaeeun Eom,Muthu Austeria P,Da Hong,Mani Balamurugan,Ramireddy Boppella,Do Hwan Kim,Tae Kyu Kim
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (30) 被引量:11
标识
DOI:10.1002/smll.202300049
摘要

Tuning the coordination environment and geometric structures of single atom catalysts is an effective approach for regulating the reaction mechanism and maximize the catalytic efficiency of single-atom centers. Here, a template-based synthesis strategy is proposed for the synthesis of high-density NiNx sites anchored on the surface of hierarchically porous nitrogen-doped carbon nanofibers (Ni-HPNCFs) with different coordination environments. First-principles calculations and advanced characterization techniques demonstrate that the single Ni atom is strongly coordinated with both pyrrolic and pyridinic N dopants, and that the predominant sites are stabilized by NiN3 sites. This dual engineering strategy increases the number of active sites and utilization efficiency of each single atom as well as boosts the intrinsic activity of each active site on a single-atom scale. Notably, the Ni-HPNCF catalyst achieves a high CO Faradaic efficiency (FECO ) of 97% at a potential of -0.7 V, a high CO partial current density (jCO ) of 49.6 mA cm-2 (-1.0 V), and a remarkable turnover frequency of 24 900 h-1 (-1.0 V) for CO2 reduction reactions (CO2 RR). Density functional theory calculations show that compared to pyridinic-type NiNx , the pyrrolic-type NiN3 moieties display a superior CO2 RR activity over hydrogen evolution reactions, resulting in their superior catalytic activity and selectivity.
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