Synergistic Effects of Amine Functional Groups and Enriched‐Atomic‐Iron Sites in Carbon Dots for Industrial‐Current–Density CO2 Electroreduction

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作者
Huazhang Guo,Jithu Raj,Zeming Wang,Tianyu Zhang,Kang Wang,Lili Lin,Wei Hou,Jiye Zhang,Minghong Wu,Jingjie Wu,Liang Wang
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202311132
摘要

Metal phthalocyanine molecules with Me-N4 centers have shown promise in electrocatalytic CO2 reduction (eCO2R) for CO generation. However, iron phthalocyanine (FePc) is an exception, exhibiting negligible eCO2R activity due to a higher CO2 to *COOH conversion barrier and stronger *CO binding energy. Here, amine functional groups onto atomic-Fe-rich carbon dots (Af-Fe-CDs) are introduced via a one-step solvothermal molecule fusion approach. Af-Fe-CDs feature well-defined Fe-N4 active sites and an impressive Fe loading (up to 8.5 wt%). The synergistic effect between Fe-N4 active centers and electron-donating amine functional groups in Af-Fe-CDs yielded outstanding CO2-to-CO conversion performance. At industrial-relevant current densities exceeding 400 mA cm-2 in a flow cell, Af-Fe-CDs achieved >92% selectivity, surpassing state-of-the-art CO2-to-CO electrocatalysts. The in situ electrochemical FTIR characterization combined with theoretical calculations elucidated that Fe-N4 integration with amine functional groups in Af-Fe-CDs significantly reduced energy barriers for *COOH intermediate formation and *CO desorption, enhancing eCO2R efficiency. The proposed synergistic effect offers a promising avenue for high-efficiency catalysts with elevated atomic-metal loadings.
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