Sn Catalysts with Build‐in [NCN]2− as Proton Relay for Industrial‐Grade CO2 Reduction at Low Overpotential

过电位 法拉第效率 催化作用 格式化 化学 质子化 质子 电化学 甲酸 无机化学 物理化学 离子 有机化学 电极 量子力学 物理
作者
Kaili Zhu,Bingquan Jia,Zhe Chen,Zhuang Hu,Licheng Sun,Tao Wang,Biaobiao Zhang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202507422
摘要

Electrochemical CO2 reduction (ECO2R) involves multi‐proton electron transfer, characterized by sluggish reaction kinetics and challenges including high overpotential and subsequently poor stability. Facilitating proton transfer through rational catalyst design to reduce the applied potential enables effective and durable CO2 reduction. Herein, proton migration promotion strategy to accelerate the CO2 protonation and the overall ECO2R process was explored by Sn‐based cyanamide catalysts. Catalysts with varying [NCN]2– content, from SnO to Sn2ONCN and SnNCN, were investigated to elucidate proton transfer mechanism of build‐in [NCN]2–. The reversible structural transformation between [N=C=N]2– and [N≡C–N]2– from [NCN]2– group achieves an efficient proton relay effect. More efficient CO2 conversion to HCOOH is achieved with a higher content of build‐in [NCN]2– groups in structures. Among these catalysts, SnNCN showed a current density of 450 mA cm−2 at a low overpotential of 360 mV, with a maximum Faradaic efficiency (FE) of 97.4% for HCOO– production and a peak cathodic energy conversion efficiency (ECE) of 79.6%. Furthermore, it produced formate (HCOO−) continuously for over 110 h at 200 mA cm−2 and pure formic acid (HCOOH) solution for 192 h at 135.8 mA cm−2. This study provides a novel material and fresh perspective for the design of efficient ECO2R catalysts.
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