(b)Y1/NC的YK边缘XANES光谱和(c)k2加权傅里叶变换EXAFS光谱。
(d)Y1/NC、Y2O3、Y箔的小波变换分析。白色虚线表示最大强度位置。
(a)A型(左)和B型(右)碳缺陷的优化结构。
(b)计算出的Y单原子的活性位点结构和相应的吸附能。
(c)使用(9)Y-B-N3模型在Y1/NC的R空间中拟合FT-EXAFS。拟合极限为3.6,如虚线所示。灰色、粉红色和红色的球体分别代表C、N和Y元素。
(a)在N2或Ar饱和的0.1MHCl电解质中,Y2O3、Sc2O3(顶部)和Y1/NC,Sc1/NC(底部)的LSV曲线。
(b,c)Y1/NC和Sc1/NC上不同电位的NH3产量。
(d)Y1/NC在-0.1Vvs.RHE2小时反应产物的紫外可见吸收光谱。插图显示了相应的NH4+产量。
(e)Y1/NC和Sc1/NC上NH4+的法拉第效率。
(f)在-0.1Vvs.RHE的NRR稳定性测试(底部),以及在稳定性测试前后Y1/NC和Sc1/NC的-0.1VNH3产量和相应的FE(顶部)。
(a)Y1/NC(顶部)和Sc1/NC(底部)催化NRR的反应过程示意图。红色、蓝色、粉红色、白色和灰色的球分别代表Y、Sc、N、H和C原子。
(b)在Y1/NC和Sc1/NC上最优NRR过程的自由能图。*表示吸附位点。
(a)在CO2或Ar饱和的0.5MKHCO3电解质中,Y2O3、Sc2O3和Y1/NC,Sc1/NC的LSV曲线。
(b)不同电位的CO和H2产量的法拉第效率。
(c)CO(柱状图)和H2(线+符号)部分电流密度。
(d)在-0.68V(vs.RHE)下12小时内的计时电流测试。插图显示了稳定性测试前后的LSV曲线。
【小结】
总之,作者在氮掺杂碳基底上成功合成了稀土单原子催化剂,结合实验表征和DFT计算分析了金属单原子位点的结构。不同于一般的M-N4结构,Y和Sc倾向于在较大尺寸碳缺陷中通过6个化学键进行配位。虽然Y和Sc化合物(如氧化物纳米颗粒)不具备室温电催化性能,但Y和ScSACs对NRR和CRR展现出良好的催化活性。DFT计算表明NRR反应中间体在稀土单原子位点上具有合适的吸附和活化,这解释了测量到的高NRR活性。研究结果表明,金属单原子化是一种很有前途的电催化剂制备方法,可以产生新的催化功能。同时,这一发现也促进了稀土催化剂在室温电化学反应中的应用。