Steering Carbon Hybridization State in Carbon-Based Metal-free Catalysts for Selective and Durable CO2 Electroreduction

催化作用 碳纤维 电催化剂 化学 材料科学 无机化学 纳米技术 电极 有机化学 电化学 物理化学 复合数 复合材料
作者
Zhen Zhang,Haozhen Dou,Rui Gao,Qing‐Yuan Zhao,Dan Luo,Jian Wang,Xian‐Xiang Zeng,Aiping Yu,Xin Wang,Zhongwei Chen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (24): 15218-15229 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c03055
摘要

Electrocatalytic CO2 reduction using metal-free catalysts offers a promising and cost-effective approach to global carbon neutrality. However, metal-free catalysts frequently suffer from unsatisfactory catalytic performances, especially a low current density and poor stability. Herein, by modulating the orbital hybridization state of carbon, we strategically design a regulable sp3 and sp2 hybrid carbon interface embedded with adjacent boron and nitrogen sites in carbon-based metal-free catalysts for CO2 electroreduction. Soft X-ray chemical imaging visually uncovers that the electronic structure and bonding configuration of the boron active site at the hybrid carbon interface are modulated by the neighboring nitrogen site and sp3 carbon. The concomitant electron density reconfiguration around the interface not only delivers optimum upshift of the boron p-band center, and accordingly the moderate valence-electron depletion, to stabilize the *OCHO intermediate favorable for HCOOH generation but also weakens the boron–carbon and boron–hydrogen hybridization of competing *COOH and *H species, respectively, to promote HCOOH selectivity over CO and H2. The designed electrocatalyst realizes a record-high formate partial current density of up to 50.8 mA cm–2 among metal-free catalysts in the H-cell and maintains a high Faradaic efficiency (>90%) over 108 h. This work elevates the carbon interface design with a tailored carbon hybridization state for efficient CO2 electroreduction.
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