Potential-modulated orbital interactions determine domino CO/methanol selectivity for CO 2 electroreduction on cobalt phthalocyanine

选择性 催化作用 光化学 吸附 材料科学 电化学 酞菁 人口 甲醇 化学 电子 多米诺骨牌 金属 电子转移 无机化学 电催化剂 分子轨道 轨道能级差 碳纤维 氧化还原
作者
Juan Zhang,Yu Wang,Yafei Li
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (48): eadz9944-eadz9944 被引量:7
标识
DOI:10.1126/sciadv.adz9944
摘要

Heterogenized cobalt phthalocyanine (hetero-CoPc) molecular catalysts exhibit domino CO/methanol selectivity during CO 2 electroreduction. However, the origin of this selectivity is not well understood, impeding the strategic optimization for methanol generation. Here, we show potential-modulated orbital interaction mechanisms governing the selectivity in hetero-CoPc based on first-principles calculations with consideration of carbon support and electrochemical interfaces. Specifically, constant-potential orbital-resolved analyses reveal that electrons introduced by applied potentials initially occupy the semi-occupied Co-3d z 2 orbital, thus suppressing CO-5σ → Co-3d z 2 electron donation. This induces gradual weakening of *CO adsorption while establishing high *CO hydrogenation barriers (restricting the product to CO) over the medium potential range. With further decreasing potentials, a progressive electron population occurs in the Co-3d yz /d xz orbitals, promoting the Co-3d xz /d yz → CO-2π* back-donation. This facilitates the activation of the C─O bond of *CO, thereby reducing its hydrogenation barriers and enabling methanol production at more negative potentials. Similar analyses also rationalize experimental observations for other heterogenized metal phthalocyanines, showing the importance of potential-modulated orbital interactions for selectivity engineering.
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