Molecular Engineering of Cation Solvation Structure for Highly Selective Carbon Dioxide Electroreduction

化学 溶剂化 质子化 离解(化学) 溶剂化壳 分子 电解质 无机化学 物理化学 离子 电极 有机化学
作者
Wenpeng Ni,Yongji Guan,Houjun Chen,Yan Zhang,Shuangyin Wang,Shiguo Zhang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (37): e202303233-e202303233 被引量:71
标识
DOI:10.1002/anie.202303233
摘要

Abstract Balancing the activation of H 2 O is crucial for highly selective CO 2 electroreduction (CO 2 RR), as the protonation steps of CO 2 RR require fast H 2 O dissociation kinetics, while suppressing hydrogen evolution (HER) demands slow H 2 O reduction. We herein proposed one molecular engineering strategy to regulate the H 2 O activation using aprotic organic small molecules with high Gutmann donor number as a solvation shell regulator. These organic molecules occupy the first solvation shell of K + and accumulate in the electrical double layer, decreasing the H 2 O density at the interface and the relative content of proton suppliers (free and coordinated H 2 O), suppressing the HER. The adsorbed H 2 O was stabilized via the second sphere effect and its dissociation was promoted by weakening the O−H bond, which accelerates the subsequent *CO 2 protonation kinetics and reduces the energy barrier. In the model electrolyte containing 5 M dimethyl sulfoxide (DMSO) as an additive (KCl‐DMSO‐5), the highest CO selectivity over Ag foil increased to 99.2 %, with FE CO higher than 90.0 % within −0.75 to −1.15 V (vs. RHE). This molecular engineering strategy for cation solvation shell can be extended to other metal electrodes, such as Zn and Sn, and organic molecules like N,N‐dimethylformamide.
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