Diminishing the Uncoordinated N Species in Co-N-C Catalysts toward Highly Efficient Electrochemical CO2 Reduction

过电位 催化作用 电化学 密度泛函理论 电流密度 化学 选择性 电催化剂 金属 碳纤维 材料科学 无机化学 电极 物理化学 计算化学 有机化学 复合材料 物理 复合数 量子力学
作者
Cai Wang,Yuping Liu,Houan Ren,Qingxin Guan,Shulei Chou,Wei Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 2513-2521 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05029
摘要

Atomically dispersed metal and nitrogen codoped carbon (M-N-C) catalysts with N-coordinated metal (MNx) sites have shown compelling performance in electrochemical CO2 reduction (ECR). However, extra uncoordinated N species commonly coexist with MNx sites in M-N-C, which are impossible to ignore due to their inevitable interference in catalytic performance. Considering this, we developed high-performance Co-N-C for ECR by diminishing the uncoordinated N species. The resulting electrocatalyst displays a CO faradic efficiency (FECO) of 99.4% with a CO current density of −24.8 mA·cm–2 at a low overpotential of 0.49 V in an H-type cell, and a high FECO over 90% is obtained in a flow cell within a wide current density window (50–600 mA·cm–2), exceeding all reported Co-N-C catalysts. Density functional theory calculations reveal that isolated CoN4 sites can reduce the energy barrier required for the formation of COOH* and suppress the occurrence of hydrogen evolution compared with CoN4 sites with extra uncoordinated N species, thus resulting in enhanced activity and selectivity in CO production.
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