Lithiation‐Enabled High‐Density Nitrogen Vacancies Electrocatalyze CO2 to C2 Products

材料科学 电化学 法拉第效率 催化作用 氮气 空位缺陷 密度泛函理论 可逆氢电极 电流密度 无机化学 选择性 电极 化学物理 物理化学 结晶学 计算化学 化学 参比电极 有机化学 物理 量子力学 生物化学
作者
Peng Chen,Gan Luo,Zikai Xu,Shuai Yan,Junbo Zhang,Menghuan Chen,Linping Qian,Wei Wei,Qing Han,Gengfeng Zheng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (40) 被引量:75
标识
DOI:10.1002/adma.202103150
摘要

Abstract Electrochemical CO 2 reduction to produce valuable C 2 products is attractive but still suffers with relatively poor selectivity and stability at high current densities, mainly due to the low efficiency in the coupling of two *CO intermediates. Herein, it is demonstrated that high‐density nitrogen vacancies formed on cubic copper nitrite (Cu 3 N x ) feature as efficient electrocatalytic centers for CO–CO coupling to form the key OCCO* intermediate toward C 2 products. Cu 3 N x with different nitrogen densities are fabricated by an electrochemical lithium tuning strategy, and density functional theory calculations indicate that the adsorption energies of CO* and the energy barriers of forming key C 2 intermediates are strongly correlated with nitrogen vacancy density. The Cu 3 N x catalyst with abundant nitrogen vacancies presents one of the highest Faradaic efficiencies toward C 2 products of 81.7 ± 2.3% at −1.15 V versus reversible hydrogen electrode (without ohmic correction), corresponding to the partial current density for C 2 production as −307 ± 9 mA cm −2 . An outstanding electrochemical stability is also demonstrated at high current densities, substantially exceeding CuO x catalysts with oxygen vacancies. The work suggests an attractive approach to create stable anion vacancies as catalytic centers toward multicarbon products in electrochemical CO 2 reduction.
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