Electroreduction of Carbon Dioxide Driven by the Intrinsic Defects in the Carbon Plane of a Single Fe–N4 Site

材料科学 密度泛函理论 催化作用 碳纤维 电子转移 二氧化碳电化学还原 法拉第效率 电解质 二氧化碳 可逆氢电极 化学物理 电极 一氧化碳 物理化学 计算化学 化学 复合数 复合材料 生物化学 有机化学 参比电极
作者
Wenpeng Ni,Zhixiao Liu,Yan Zhang,Chao Ma,Huiqiu Deng,Shiguo Zhang,Shuangyin Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (1): e2003238-e2003238 被引量:295
标识
DOI:10.1002/adma.202003238
摘要

Abstract Manipulating the in‐plane defects of metal–nitrogen–carbon catalysts to regulate the electroreduction reaction of CO 2 (CO 2 RR) remains a challenging task. Here, it is demonstrated that the activity of the intrinsic carbon defects can be dramatically improved through coupling with single‐atom Fe–N 4 sites. The resulting catalyst delivers a maximum CO Faradaic efficiency of 90% and a CO partial current density of 33 mA cm −2 in 0.1 m KHCO 3. The remarkable enhancements are maintained in concentrated electrolyte, endowing a rechargeable Zn–CO 2 battery with a high CO selectivity of 86.5% at 5 mA cm −2 . Further analysis suggests that the intrinsic defect is the active sites for CO 2 RR, instead of the Fe–N 4 center. Density functional theory calculations reveal that the Fe–N 4 coupled intrinsic defect exhibits a reduced energy barrier for CO 2 RR and suppresses the hydrogen evolution activity. The high intrinsic activity, coupled with fast electron‐transfer capability and abundant exposed active sites, induces excellent electrocatalytic performance.
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