Radical-Mediated Dynamic Reconstruction of Ni–N–C Single-Atom Catalysts for Wide-Potential CO 2 -to-CO Electroreduction

化学 催化作用 电子顺磁共振 电催化剂 非阻塞I/O 原位 密度泛函理论 法拉第效率 过渡金属 光谱学 反应中间体 X射线吸收光谱法 金属 吸收光谱法 无机化学 反应机理 激进的 氧化还原 多相催化 扩展X射线吸收精细结构 光化学 电子顺磁共振波谱 化学工程 铂金 核磁共振波谱 顺磁性 吸收(声学) 同位素标记 甲烷化 还原消去
作者
Jie Yang,Xue-Jia Wang,Jiaying He,Zhi‐Feng He,Guang Zeng,Shu‐Ming Xing,Dongao Zhang,Jin‐Chao Dong,Yimin Wei,Yaqiong Su,Yujing Ren,Jian‐Feng Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (24): 25075-25085 被引量:7
标识
DOI:10.1021/jacs.6c05980
摘要

Ni–N–C single-atom catalysts are widely regarded as highly selective electrocatalysts for CO 2 reduction to CO; however, the catalytically relevant Ni species under operating conditions remains unclear. Here we provide in situ evidence that Ni–N–C catalysts undergo radical-mediated dynamic reconstruction during CO 2 electroreduction, which affords >90% CO Faradaic efficiency during a broad potential window (−0.6 to −1.5 V vs RHE). In situ X-ray absorption spectroscopy together with quasi-in situ electron paramagnetic resonance spectroscopy reveal a radical-driven evolution pathway in which isolated Ni–N 4 sites progressively aggregate into metallic Ni clusters via hydrogen-radical-induced processes, followed by hydroxyl-radical-mediated oxidation to form NiO x clusters; density functional theory calculations further support the key roles of these radicals in driving the transformation. Notably, the in situ-generated NiO x clusters exhibit lower free-energy barriers for all elementary steps of CO 2 -to-CO conversion than the initial Ni–N 4 sites. These results show that the sustained performance of Ni–N–C catalysts originates from radical-driven dynamic structural evolution rather than a static single-atom precursor, offering mechanistic insights into dynamic electrocatalysis for CO 2 reduction.
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