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氧調(diào)節(jié)的鎳（Ni）基單原子催化劑（SACs）在加速電催化CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）動(dòng)力學(xué)方面顯示出巨大的潛力，但是精確控制Ni-O部分的配位環(huán)境仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，并在高過(guò)電位下實(shí)現(xiàn)高活性。

基于此，安徽工業(yè)大學(xué)何孝軍教授和北京化工大學(xué)邱介山教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種簡(jiǎn)單的碳化耦合氧化策略，以大規(guī)模生產(chǎn)NiO團(tuán)簇修飾的Ni-N-C SACs（NiO/Ni-N-C）在寬電位范圍內(nèi)（-0.9至-1.3V vs RHE）表現(xiàn)出高的CO法拉第效率（最高96.5%），即使在1.19 V的高過(guò)電位下，生產(chǎn)CO的周轉(zhuǎn)頻率（TOF）高達(dá)10120 h^-1。

通過(guò)DFT計(jì)算，以深入了解NiO簇和Ni-N₄配位環(huán)境對(duì)CO₂RR性能的影響。利用石墨烯層作為碳基電催化劑的襯底，與4個(gè)N原子配位并錨定在石墨烯層上的Ni原子來(lái)反映傳統(tǒng)的單Ni原子催化劑。

將由14個(gè)Ni原子和14個(gè)O原子組成的NiO團(tuán)簇引入Ni-N₄的幾何結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建了NiO/Ni-N-C的模型。計(jì)算結(jié)果表明，NiO-Ni-N₄模型中*COOH和*CO的生成能均低于Ni-N₄模型中的生成能。

具體而言，NiO-Ni-N₄位點(diǎn)上CO₂與*COOH的第一反應(yīng)自由能變化為0.66 eV，遠(yuǎn)小于Ni-N₄位點(diǎn)（1.99 eV），表明NiO-Ni-N₄位點(diǎn)上生成*COOH比Ni-N₄位點(diǎn)上更容易。

對(duì)于NiO-Ni-N₄，CO解吸步驟的反應(yīng)勢(shì)壘為0.94 eV，說(shuō)明*CO解吸可能是CO₂RR的另一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。結(jié)果表明，引入NiO簇后，Ni-N₄上CO產(chǎn)生的理論能壘從1.99 eV降至0.94 eV ，與NiO-Ni-N-C的CO₂還原活性明顯高于對(duì)照樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

Highly Dispersed NiO Clusters Induced Electron Delocalization of Ni-N-C Catalysts for Enhanced CO₂ Electroreduction. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202208622.

https://doi.org/10.1002/adfm.202208622.

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何孝軍/邱介山AFM：NiO/Ni-N-C助力CO2電還原

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