Adsorción mejorada de COOH en sitios ricos en Ni-N para la reducción eficiente de CO2 ácido

Área de la Ciencia:

• Electroquímica y catálisis
• Ciencias de los materiales
• Química de las superficies

Sus antecedentes:

• Los catalizadores de un solo átomo de níquel (Ni) son prometedores para la reacción de reducción ácida de CO2 (CO2RR) debido a su alta selectividad de CO.
• Las limitaciones de rendimiento surgen de la interacción débil con los intermedios *COOH a altas densidades de corriente.
• La conversión eficiente de CO2 requiere una unión intermedia más fuerte para los sitios de Ni-N4.

Objetivo del estudio:

• Mejorar la adsorción de *COOH en sitios aislados de Ni-N4 mediante ingeniería de vacío de apoyo.
• Para aumentar la actividad y la selectividad de la CO2RR en medios ácidos utilizando sitios ricos en bordes de Ni-N4.
• Investigar la modulación de la estructura electrónica para mejorar el rendimiento del catalizador monoatómico.

Principales métodos:

• Cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) para el análisis de la estructura electrónica y la energía de unión.
• Microscopía electrónica de escaneo de campo oscuro anular de alto ángulo corregido por aberración (HAADF-STEM) para la caracterización del sitio.
• Espectroscopía de adsorción de rayos X (XAS) y espectroscopía de absorción de infrarrojos con reflexión total atenuada mejorada in situ (ATR-SEIRAS) para su validación.

Principales resultados:

• Se introdujeron con éxito sitios ricos en Ni-N4, confirmados por HAADF-STEM y XAS.
• Los cálculos de DFT mostraron un desplazamiento hacia arriba en el centro de la banda de Ni, fortaleciendo la unión *COOH.
• El catalizador optimizado logró >94,5% de eficiencia Faradaic de CO a 800 mA cm-2 y 44,2% de eficiencia energética a pH 1.

Conclusiones:

• Apoyar la ingeniería de vacíos para crear sitios ricos en Ni-N4 mejora efectivamente la adsorción de COOH.
• Esta estrategia aumenta significativamente la actividad y la selectividad para el CO2RR ácido a altas densidades de corriente.
• La ingeniería de borde ofrece una vía versátil para optimizar los catalizadores de un solo átomo para aplicaciones industriales.