Erreichen der grundlegenden Begrenzung bei der CO2-Reduktion zu CO mit Einzelatom-Katalysatoren

Zusammenfassung: Die elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion (CO2 RR) zur Herstellung von wertvollen Chemikalien mit erneuerbarer Elektrizität ist eine vielversprechende Methode zur Dekarbonisierung einzelner Teile der chemischen Industrie. Kürzlich haben sich einzelne Metallatome in stickstoffdotiertem Kohlenstoff (MNC) als potenzielle Elektrokatalysatoren für die CO2 RR zu CO mit hoher Aktivität und faradaischer Effizienz herausgestellt, obwohl die Reaktionsbegrenzung für die CO2 RR zu CO unklar ist. Um den Vergleich der intrinsischen Aktivität verschiedener MNCs zu verstehen, werden zwei Katalysatoren durch einen entkoppelten zweistufigen Syntheseansatz aus Hochtemperatur-Pyrolyse und Niedertemperatur-Metallation (Fe oder Ni) synthetisiert. Die hoch mesoporöse Struktur führt zu einer der höchsten berichteten Nutzung elektrochemisch aktiver Stellen basierend auf in situ Nitrit-Ausschöpfung; bis zu 59±6% für NiNC. Ex situ Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) bestätigt die pentakoordinierte Natur der aktiven Stellen. Die Katalysatoren gehören zu den aktivsten in der Literatur für die CO2-Reduktion zu CO. Die Dichtedfuntionsberechnungen (DFT) zeigen, dass ihre Bindung an die Reaktionszwischenprodukte derjenigen von Au-Oberflächen ähnelt. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Umdrehungshäufigkeiten (TOFs) der aktivsten Katalysatoren für die CO-Entwicklung konvergieren, was auf eine grundlegende Obergrenze für die katalytischen Raten hinweist.