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An integrated bioelectrochemical system coupled CO2 electroreduction device based on atomically dispersed iron electrocatalysts

材料科学 纳米技术 电催化剂 电化学 电极 物理化学 化学
作者
Zhongjian Li,Qi Zeng,Zipeng Ye,Wanzhen Zheng,Xiahan Sang,Chung‐Li Dong,Bin Yang,Sameer Pardiwala,Jianguo Lü,Lecheng Lei,Gang Wu,Yang Hou
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:87: 106187-106187 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106187
摘要

Abstract Integrating a bioelectrochemical system with CO2 electroreduction (CO2ER) can achieve recovery of resources and conversion of value-added chemicals, but it still faces challenge of high overpotential and poor selectivity. Herein, we report a CO2ER catalyst with iron bonded to nitrogen atoms (Fe-Nx) anchored hierarchical porous carbon (Fe SA-NC) by a molecular-confined pyrolysis strategy. Owing to the high surface area and atomic-level Fe-N4 sites, Fe SA-NC possessed superior CO2-to-CO conversion performance with a low overpotential of 90 mV, a small Tafel slope of 92 mV dec−1, and high Faradaic efficiency of 95.9% at −0.5 V, superior to almost all previously reported Fe-Nx based carbon materials for CO2ER. Experimental results manifested the atomic-level Fe-N4 sites in carbon frameworks with a single Fe atom coordinating four N atoms. Theoretical calculations revealed Fe-N4 sites weaken the free energy for the formation of *COOH intermediate, and the short Fe-C bond length in the structure of *COOH absorbed on Fe-N4 sites accelerated the electron transfer from Fe-N4 centers to *COOH, thus boosting the reaction kinetics. An integrated device with cathodic Fe SA-NC and bioanode can recover energy and carbon resource from wastewater, delivering maximum current and CO production rate of 1.54 ± 0.05 mA and 33.66 ± 0.58 mmol g−1cat h−1.
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