Cooperative Copper Single‐Atom Catalyst in 2D Carbon Nitride for Enhanced CO2 Electrolysis to Methane

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作者
Soumyabrata Roy,Zhengyuan Li,Zhiwen Chen,Astrid Campos Mata,Pawan Kumar,Saurav Ch. Sarma,Ivo F. Teixeira,Ingrid F. Silva,Guanhui Gao,Nadezda V. Tarakina,Md Golam Kibria,Chandra Veer Singh,Jingjie Wu,Pulickel M. Ajayan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (13): e2300713-e2300713 被引量:79
标识
DOI:10.1002/adma.202300713
摘要

Renewable-electricity-powered carbon dioxide (CO2) reduction (eCO2R) to high-value fuels like methane (CH4) holds the potential to close the carbon cycle at meaningful scales. However, this kinetically staggered 8-electron multistep reduction suffers from inadequate catalytic efficiency and current density. Atomic Cu-structures can boost eCO2R-to-CH4 selectivity due to enhanced intermediate binding energies (BEs) resulting from favorably shifted d-band centers. In this work, 2D carbon nitride (CN) matrices, viz. Na-polyheptazine (PHI) and Li-polytriazine imides (PTI), are exploited to host Cu-N2 type single-atom sites with high density (≈1.5 at%), via a facile metal-ion exchange process. Optimized Cu loading in nanocrystalline Cu-PTI maximizes eCO2R-to-CH4 performance with Faradaic efficiency (FECH4) of ≈68% and a high partial current density of 348 mA cm-2 at -0.84 V vs reversible hydrogen electrode (RHE), surpassing the state-of-the-art catalysts. Multi-Cu substituted N-appended nanopores in the CN frameworks yield thermodynamically stable quasi-dual/triple sites with large interatomic distances dictated by the pore dimensions. First-principles calculations elucidate the relative Cu-CN cooperative effects between the matrices and how the Cu local environment dictates the adsorbate BEs, density of states, and CO2-to-CH4 energy profile landscape. The 9N pores in Cu-PTI yield cooperative Cu-Cu sites that synergistically enhance the kinetics of the rate-limiting steps in the eCO2R-to-CH4 pathway.
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