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Enzyme-Inspired Ligand Engineering of Gold Nanoclusters for Electrocatalytic Microenvironment Manipulation

化学 纳米团簇 配体(生物化学) 催化作用 亲核细胞 活动站点 超分子化学 纳米技术 基质(水族馆) 电化学 组合化学 生物化学 分子 有机化学 受体 物理化学 地质学 电极 海洋学 材料科学
作者
Zhihe Liu,Junmei Chen,Bo Li,De‐en Jiang,Lei Wang,Qiaofeng Yao,Jianping Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (17): 11773-11781 被引量:39
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00019
摘要

Natural enzymes intricately regulate substrate accessibility through specific amino acid sequences and folded structures at their active sites. Achieving such precise control over the microenvironment has proven to be challenging in nanocatalysis, especially in the realm of ligand-stabilized metal nanoparticles. Here, we use atomically precise metal nanoclusters (NCs) as model catalysts to demonstrate an effective ligand engineering strategy to control the local concentration of CO2 on the surface of gold (Au) NCs during electrocatalytic CO2 reduction reactions (CO2RR). The precise incorporation of two 2-thiouracil-5-carboxylic acid (TCA) ligands within the pocket-like cavity of [Au25(pMBA)18]− NCs (pMBA = para-mercaptobenzoic acid) leads to a substantial acceleration in the reaction kinetics of CO2RR. This enhancement is attributed to a more favorable microenvironment in proximity to the active site for CO2, facilitated by supramolecular interactions between the nucleophilic Nδ− of the pyrimidine ring of the TCA ligand and the electrophilic Cδ+ of CO2. A comprehensive investigation employing absorption spectroscopy, mass spectrometry, isotopic labeling measurements, electrochemical analyses, and quantum chemical computation highlights the pivotal role of local CO2 enrichment in enhancing the activity and selectivity of TCA-modified Au25 NCs for CO2RR. Notably, a high Faradaic efficiency of 98.6% toward CO has been achieved. The surface engineering approach and catalytic fundamentals elucidated in this study provide a systematic foundation for the molecular-level design of metal-based electrocatalysts.
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