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Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2

机译:了解掺杂金属氮的碳催化剂对电化学还原CO2的活性和选择性

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摘要

Direct electrochemical reduction of CO2 to fuels and chemicals using renewable electricity has attracted significant attention partly due to the fundamental challenges related to reactivity and selectivity, and partly due to its importance for industrial CO2-consuming gas diffusion cathodes. Here, we present advances in the understanding of trends in the CO2 to CO electrocatalysis of metal- and nitrogen-doped porous carbons containing catalytically active M–Nx moieties (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu). We investigate their intrinsic catalytic reactivity, CO turnover frequencies, CO faradaic efficiencies and demonstrate that Fe–N–C and especially Ni–N–C catalysts rival Au- and Ag-based catalysts. We model the catalytically active M–Nx moieties using density functional theory and correlate the theoretical binding energies with the experiments to give reactivity-selectivity descriptors. This gives an atomic-scale mechanistic understanding of potential-dependent CO and hydrocarbon selectivity from the M–Nx moieties and it provides predictive guidelines for the rational design of selective carbon-based CO2 reduction catalysts.
机译:使用可再生电力将燃料中的二氧化碳直接电化学还原成燃料和化学药品引起了广泛的关注,部分原因是与反应性和选择性相关的基本挑战,部分原因是其对于工业消耗二氧化碳的气体扩散阴极的重要性。在这里,我们介绍了对含催化活性的M–Nx部分(M = Mn,Fe,Co,Ni,Cu)的金属和氮掺杂多孔碳进行CO2到CO电催化趋势的理解的进展。我们研究了它们的固有催化反应性,CO转换频率,CO法拉第效率,并证明了Fe–N–C尤其是Ni–N–C催化剂可与Au和Ag基催化剂相媲美。我们使用密度泛函理论对具有催化活性的M–Nx部分进行建模,并将理论结合能与实验相关联,以给出反应选择性的描述子。这提供了从M–Nx部分对电位依赖的CO和烃选择性的原子尺度机理的理解,并为合理设计选择性碳基CO2还原催化剂提供了预测指导。

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