General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots

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作者
Chuan Xia,Yunrui Qiu,Xia Yang,Peng Zhu,Graham King,Xiao Zhang,Zhenyu Wu,Jung Yoon Kim,David A. Cullen,Dongxing Zheng,Peng Li,Mohsen Shakouri,Emilio Heredia,Peixin Cui,Husam N. Alshareef,Yongfeng Hu,Haotian Wang
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:13 (9): 887-894 被引量:688
标识
DOI:10.1038/s41557-021-00734-x
摘要

Transition-metal single-atom catalysts present extraordinary activity per metal atomic site, but suffer from low metal-atom densities (typically less than 5 wt% or 1 at.%), which limits their overall catalytic performance. Here we report a general method for the synthesis of single-atom catalysts with high transition-metal-atom loadings of up to 40 wt% or 3.8 at.%, representing several-fold improvements compared to benchmarks in the literature. Graphene quantum dots, later interweaved into a carbon matrix, were used as a support, providing numerous anchoring sites and thus facilitating the generation of high densities of transition-metal atoms with sufficient spacing between the metal atoms to avoid aggregation. A significant increase in activity in electrochemical CO2 reduction (used as a representative reaction) was demonstrated on a Ni single-atom catalyst with increased Ni loading. Transition-metal single-atom catalysts display excellent activity per metal atom site, but suffer from low metal atom densities (typically less than 5 wt% or 1 at.%), which limits their overall catalytic performance. Now, the use of a graphene-quantum-dot primary support, later interweaved into a carbon matrix, has enabled the synthesis of single-atom catalysts with high transition-metal atom loadings of up to 40 wt% or 3.84 at.%.
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