Quasi-Covalently Coupled Ni–Cu Atomic Pair for Synergistic Electroreduction of CO2

化学 催化作用 离解(化学) X射线吸收光谱法 氧化还原 分子 部分 共价键 法拉第效率 电化学 吸收光谱法 无机化学 物理化学 电极 立体化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Jianbing Zhu,Meiling Xiao,Dezhang Ren,Rui Gao,Xiaozhi Liu,Zhen Zhang,Dan Luo,Wei Xing,Dong Su,Aiping Yu,Zhongwei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (22): 9661-9671 被引量:322
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00937
摘要

Developing highly active, selective, and stable electrocatalysts for the carbon dioxide reduction reaction (CO2RR) is crucial to establish a CO2 conversion system for industrial implementation and, therefore, to realize an artificially closed carbon loop. This can only be achieved through the rational material design based upon the knowledge of the operational active site at the molecular scale. Enlightened by theoretical screening, herein, we for the first time manipulate a novel Ni-Cu atomic pair configuration toward improved CO2RR performance. Systematic characterizations and theoretical modeling reveal that the secondary Cu metal incorporation positively shifts the Ni 3d orbital energy to the Fermi level and thus accelerates the rate-determining step, *COOH formation. In addition, the intrinsic inactivity of Cu toward the competing hydrogen evolution reaction causes a considerable reaction barrier for water dissociation on the Ni-Cu moiety. Due to these attributes, the as-developed Ni/Cu-N-C catalyst exhibits excellent catalytic activity and selectivity, with a record-high turnover frequency of 20,695 h-1 at -0.6 V (vs RHE) and a maximum Faradaic efficiency of 97.7% for CO production. Furthermore, the dynamic structure evolution monitored by operando X-ray absorption fine-structure spectroscopy unveils the interaction between the Ni center and CO2 molecules and the synergistic effect of the Ni-Cu atomic pair on CO2RR activity.
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