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Continuous coordination modulation with different heteroatoms unveils favorable single-atom Ni sites for near-unity CO selectivity in CO2 electroreduction

杂原子 选择性 调制(音乐) Atom(片上系统) 化学 立体化学 结晶学 物理 有机化学 计算机科学 催化作用 戒指(化学) 声学 嵌入式系统
作者
Shuangqun Chen,Tong Cao,Wen Yan,Ke Zhao,Yalin Guo,Tiantian Wu,Daliang Zhang,Ming Ma,Yu Han,Jianfeng Huang
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:16 (23): 10444-10453 被引量:4
标识
DOI:10.1039/d5sc01998b
摘要

Coordination modulation is a key strategy for enhancing the catalytic activity of single-atom catalysts (SACs) in CO2 electroreduction. However, achieving such modulation within the same framework by incorporating an array of heteroatoms with differing electronic properties remains unexplored, despite its potential for optimizing active sites. Here, we investigate unprecedentedly three Ni-based SACs (N3Ni-C, N3Ni-N, and N3Ni-O), where varying coordinating atoms (C, N, and O) modulate continuously the electronic structure to explore their effects on CO2 electroreduction. Compared to the N3Ni-N catalyst with classic Ni-N4 coordination, N3Ni-C demonstrates significantly enhanced CO2 conversion, achieving remarkably a near-unity Faradaic efficiency for CO (99.3%) at -0.7 VRHE in the H-cell and a CO partial current density of 396.8 mA cm-2 at -1.15 VRHE in the flow cell, whereas N3Ni-O exhibits inferior performance. Operando and computational investigations reveal that both C- and O-coordination enhance CO2 hydrogenation by elevating the Ni d-band center, thereby strengthening *COOH intermediate adsorption. However, the concurrent promotion of the hydrogen evolution reaction competes with CO2 reduction, ultimately leading to opposite effects on performance. This work provides atomic-level insights into CO2 electroreduction mechanisms and offers compelling strategies for improving SAC performance via coordination modulation with heteroatoms.
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