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Cu–Mg Dual Single‐Atom Catalysts with CO Spillover for Efficient CO 2 Electroreduction to CH 4

催化作用 密度泛函理论 电催化剂 化学 法拉第效率 对偶(语法数字) 电子转移 工作(物理) 溢出效应 联轴节(管道) 过程(计算) 材料科学 化学物理 选择性 活动站点 反应机理 机制(生物学) 无机化学 能量转换 化学工程 电化学 纳米技术 氢溢流 反应中间体 表征(材料科学) 计算化学 多相催化 可逆氢电极 相(物质) 组合化学 电极
作者
Peng Zhao,Jing Ai,Hao Jiang,Shaowei Yang,Haidong Shen,Jiarui Zhang,Ying Guo,Qiuyu Zhang,Hepeng Zhang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (52): e202516184-e202516184 被引量:7
标识
DOI:10.1002/anie.202516184
摘要

Selective electroreduction of CO2 (CO2RR) to CH4 remains a significant challenge due to the complex multi-electron transfer process and competing C─C coupling pathways. Here, a Cu-Mg dual single-atom catalyst (CuN2-MgN2), which enables a spatially confined CO spillover mechanism was constructed. Spectroscopic characterization and density functional theory calculations confirmed that the atomically dispersed Mg sites not only modulate the electronic structure of Cu sites to lower the overall energy barrier of the CO2RR to CH4, but also efficiently activate CO2 to form *CO intermediates, which subsequently migrate to adjacent Cu sites to further hydrogenate into CH4. Leveraging these dual advantages, the optimized CuN2-MgN2 electrocatalyst achieved a CH4 Faradaic efficiency of 78.3% and a partial current density of 228.7 mA cm-2 at-1.1 V versus RHE under ambient CO2 conditions, with the Turnover frequency of CH4 on Cu single sites reaching up to 1.72 s-1, dramatically outperforming currently reported catalysts. This work not only reveals the dynamic regulation mechanism of intermediates during CO2-to-CH4 conversion at the atomic scale but also establishes a universal theoretical model for designing industrial-grade electrocatalysts with well-defined active site configurations.
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