Axial coordination regulation of MOF-based single-atom Ni catalysts by halogen atoms for enhanced CO2 electroreduction

催化作用 卤素 电负性 Atom(片上系统) 卤化物 化学 金属 结晶学 无机化学 纳米技术 材料科学 有机化学 烷基 计算机科学 嵌入式系统
作者
Jia‐Xin Peng,Weijie Yang,Zhenhe Jia,Long Jiao,Hai‐Long Jiang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (12): 10063-10069 被引量:147
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4467-3
摘要

Single-atom catalysts (SACs), with the utmost atom utilization, have attracted extensive interests for various catalytic applications. The coordination environment of SACs has been recognized to play a vital role in catalysis while their precise regulation at atomic level remains an immense challenge. Herein, a post metal halide modification (PMHM) strategy has been developed to construct Ni-N4 sites with axially coordinated halogen atoms, named Ni1N-C (X) (X = Cl, Br, and I), on pre-synthetic nitrogen-doped carbon derived from metal-organic frameworks. The axial halogen atoms with distinct electronegativity can break the symmetric charge distribution of planar Ni-N4 sites and regulate the electronic states of central Ni atoms in Ni1N-C (X) (X = Cl, Br, and I). Significantly, the Ni1N-C (Cl) catalyst, decorated with the most electronegative Cl atoms, exhibits Faradaic efficiency of CO up to 94.7% in electrocatalytic CO2 reduction, outperforming Ni1N-C (Br) and Ni1N-C (I) catalysts. Moreover, Ni1N-C (Cl) also presents superb performance in Zn-CO2 battery with ultrahigh CO selectivity and great durability. Theoretical calculations reveal that the axially coordinated Cl atom remarkably facilitates *COOH intermediate formation on single-atom Ni sites, thereby boosting the CO2 reduction performance of Ni1N-C (Cl). This work offers a facile strategy to tailor the axial coordination environments of SACs at atomic level and manifests the crucial role of axial coordination microenvironments in catalysis.
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