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Graphdiyne/Graphene Heterostructure: A Universal 2D Scaffold Anchoring Monodispersed Transition-Metal Phthalocyanines for Selective and Durable CO2 Electroreduction

化学 石墨烯 异质结 酞菁 电化学 密度泛函理论 X射线吸收光谱法 过渡金属 化学工程 催化作用 纳米技术 电催化剂 材料科学 电极 吸收光谱法 物理化学 计算化学 光电子学 有机化学 物理 工程类 量子力学
作者
Huoliang Gu,Lixiang Zhong,Guoshuai Shi,Jiaqiang Li,Ke Yu,Jiong Li,Shuo Zhang,Chenyuan Zhu,Shaohua Chen,Chunlei Yang,Ya Kong,Chen Chen,Shuzhou Li,Jin Zhang,Liming Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (23): 8679-8688 被引量:152
标识
DOI:10.1021/jacs.1c02326
摘要

Electrochemical CO2 reduction (CO2R) is a sustainable way of producing carbon-neutral fuels, yet the efficiency is limited by its sluggish kinetics and complex reaction pathways. Developing active, selective, and stable CO2R electrocatalysts is challenging and entails intelligent material structure design and tailoring. Here we show a graphdiyne/graphene (GDY/G) heterostructure as a 2D conductive scaffold to anchor monodispersed cobalt phthalocyanine (CoPc) and reduce CO2 with an appreciable activity, selectivity, and durability. Advanced characterizations, e.g., synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy (XAS), and density functional theory (DFT) calculation disclose that the strong electronic coupling between GDY and CoPc, together with the high surface area, abundant reactive centers, and electron conductivity provided by graphene, synergistically contribute to this distinguished electrocatalytic performance. Electrochemical measurements revealed a high FECO of 96% at a partial current density of 12 mA cm-2 in a H-cell and an FECO of 97% at 100 mA cm-2 in a liquid flow cell, along with a durability over 24 h. The per-site turnover frequency of CoPc reaches 37 s-1 at -1.0 V vs RHE, outperforming most of the reported phthalocyanine- and porphyrin-based electrocatalysts. The usage of the GDY/G heterostructure as a scaffold can be further extended to other organometallic complexes beyond CoPc. Our findings lend credence to the prospect of the GDY/G hybrid contributing to the design of single-molecule dispersed CO2R catalysts for sustainable energy conversion.
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