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Rigidly Axial O Coordination-Induced Spin Polarization on Single Ni–N4–C Site by MXene Coupling for Boosting Electrochemical CO2 Reduction to CO

材料科学 电化学 Boosting(机器学习) 极化(电化学) 联轴节(管道) 结晶学 物理化学 电极 冶金 计算机科学 机器学习 化学
作者
Guanping Wei,Zongchang Mao,Lingli Liu,Tiantian Hao,Ling Zhu,Simin Xu,Xijun Wang,Shaobin Tang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (39): 52233-52243 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.4c09592
摘要

Regulating the spin states in transition-metal (TM)-based single-atom catalysts (SACs), such as the TM-Nx-C configurations, is crucial for improving the catalytic activity. However, the role of spin in single Ni atoms facilitating the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) has been largely overlooked. Using first-principles simulations, we investigated the electrocatalytic performance of Ni-N4-C SACs vertically stacked on the O-terminated MXene nanosheets for the CO2RR. The terminated O atoms on MXene axially interact with the Ni atom due to significant charge transfer between them. Unlike the pure Ni-N4 site, which lacks spin polarization, the newly formed Ni-N4O configuration breaks the spin degeneracy of Ni d orbitals, dramatically lifting the energy level of spin-down d orbitals relative to that of spin-up d orbitals. As a result, the d electrons of Ni in the two spin channels are rearranged, leading to large net spin moments of 1.4 μB. Compared to the Ni-N4 site, the partially filled minority-spin dz2 orbitals of Ni on Ni-N4O weaken the occupied d-π* orbitals between Ni and *COOH, significantly stabilizing the key intermediate. The detailed reaction mechanisms and energetics show that four MXenes, namely, Hf3C2, Zr3C2, Hf2C, and Zr2C, can induce a large spin on the Ni site, thereby improving catalytic activity for CO2 reduction to CO, with a lower onset potential of about -0.75 V vs SHE compared to pure Ni SACs (-1.17 V) according to the potential-constant model with an explicit solvent environment.
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