Insight into the Behavior of Interstitial Electrons in CuZn Alloy‐Functionalized Covalent Organic Framework Catalysts for Enhanced CO 2 Electroreduction

材料科学 催化作用 工作职能 化学物理 密度泛函理论 合金 星团(航天器) 吸附 电子转移 金属有机骨架 电子 工作(物理) 化学工程 拉曼光谱 联轴节(管道) 金属 共价键 碳纤维 纳米技术 表征(材料科学) 费米能级 过渡金属 物理化学 多相催化 共价有机骨架 分子振动 电子能量损失谱 化学 电子传输链
作者
Hai-Zhong Zhang,Chao Zhu,Renlan Liu,Jun Wang,Zhen Qiu,Qile Fang,Weiting Yu,Shuang Song,Yi Shen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e17420-e17420
标识
DOI:10.1002/anie.202517420
摘要

Abstract The development of application‐oriented, highly active, and selective CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) electrocatalysts for high value‐added products is expected to achieve carbon neutrality and solve the problem of energy shortage. Cu‐based catalysts, as the most promising catalysts for high value‐added product generation, were often limited by slow CO generation and weak CO adsorption in practical applications. Guided by theoretical screening, herein, an atomic‐scale CuZn alloy cluster configuration was manipulated on covalent organic frameworks (COFs), and its CO 2 RR performance was further improved by the regulation of the electron‐donor functional groups. Through systematic characterization and theoretical simulations, we for the first time demonstrate and quantify the interstitial electrons in CuZn alloy clusters under the regulation of electron‐giving groups. Further in situ surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) and simulation results reveal that the behavior of interstitial electrons with low work function and high mobility occupy the high‐energy orbital of the metal and easily transfer to *CO, therefore, the *CO is hydrogenated to *COH before coupling, and then the coupling energy barrier and path are optimized. Due to these attributes, the as‐developed CuZn alloy‐functionalized COF catalyst (CuZn–COF–OH) exhibits significantly improved activity and selectivity, with >200 mA cm −2 industrial‐grade current density and ethylene Faraday efficiency of up to ∼79% at −1.0 V versus RHE. This study provides innovative avenues and insights for the design and development of application‐oriented atomic‐scale catalysts.
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