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山大張進濤Angew: FECO為96.6%!獨特Ni-N-C橋接結構用于高效電催化還原CO2

山大張進濤Angew: FECO為96.6%!獨特Ni-N-C橋接結構用于高效電催化還原CO2
電化學CO2還原(CO2RR)是一種能夠將CO2轉化為增值產品,并且降低大氣中CO2的濃度的有前景的方法。然而,CO2中極穩定的C=O鍵(806 kJ mol-1)和水溶液中競爭性析氫反應(HER)嚴重阻礙了CO2轉化效率和產物選擇性。因此,設計高性能的電催化劑對于CO2RR進一步發展至關重要。
近日,山東大學張進濤團隊提出了一種電紡-熱解協同策略,成功制備出在多孔碳纖維上的Ni2-N4-C2獨特橋接結構。
山大張進濤Angew: FECO為96.6%!獨特Ni-N-C橋接結構用于高效電催化還原CO2
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優化的Ni-CNC-1000電催化劑中,Ni2-N4-C2活性位點可以使Ni原子在多孔碳基質中能夠很好地分散。因此,Ni-CNC-1000電催化劑在-0.8 VRHE時的FECO為96.6%,在-1.0 VRHE時的TOF值為4606.5 h-1
特別是,在堿性電解質的流動電池中,Ni-CNC-1000實現了在-0.2 VRHE處最大FECO(97.8%)。此外,以Ni-CNC-1000為陰極組裝的Zn-CO2電化學電池在放電過程中顯示出優異的2.43 mW cm-2峰值功率密度,并且具有優異的穩定性。
山大張進濤Angew: FECO為96.6%!獨特Ni-N-C橋接結構用于高效電催化還原CO2
實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算表明,具有獨特原子橋接活性位點的多孔碳纖維通過調整Ni2-N4-C2中d態的電子結構,實現對CO2和中間體的最佳吸附,有利于提高CO2還原的活性和產物選擇性。
這項工作證明了通過調節原子分散的活性位點可以增強電催化活性,并且揭示電子態-自由能變化-電催化活性的基本關系,為合理設計先進的電催化劑提供了指導。
Atomic Bridging Structure of Nickel-Nitrogen-Carbon for Highly Efficient Electrocatalytic Reduction of CO2. Angewandte Chemie International Edition, 2021. DOI: 10.1002/anie.202113918

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