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Atomic-Level Valence-State Engineering Redirects CO2 Electroreduction on Cu Nanoclusters

材料科学 纳米团簇 化学 结晶学 催化作用 化学工程 过渡金属 纳米颗粒 电催化剂 产量(工程) 纳米技术 无机化学 固溶体
作者
Qilin Li,Mandira Ghosh,Mohd Rashid,Rupa Sarma,Pradip Kumar Mondal,Tokuhisa Kawawaki,Sourav Biswas,Biswarup Pathak,Yuichi Negishi
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:6 (7): 4310-4320
标识
DOI:10.1021/jacsau.6c00817
摘要

Abstract Atomically precise thiolate-protected Cu nanoclusters (NCs) typically suffer from an intrinsic bias toward the two-electron formate pathway in CO2 electroreduction, limiting access to more deeply reduced products. Breaking this selectivity within a structurally well-defined system remains a significant challenge due to the difficulty of precisely tuning the Cu valence states. Here, we address this limitation through atomic-level valence-state engineering by introducing [S@Cu50S12(StBu)20(CF3COO)12] (S@Cu50) NC, featuring a controlled Cu(I)/Cu(II) ratio within a conserved structural framework. Single-crystal analysis reveals a core–shell S@Cu14S12@Cu36 architecture, while XPS confirms an increased Cu(II) population compared to the reference [Cu50S12(StBu)20(CF3COO)12] (Cu50) analogue. Despite similar overall catalytic activity, S@Cu50 exhibits a striking shift in product selectivity during CO2 electroreduction, suppressing formate formation (Faradaic efficiency of <11% vs 38% in Cu50) and enabling CH3OH production with a Faradaic efficiency of ∼19% at –1.0 V vs RHE─absent in the Cu50 system. Density functional theory calculations attribute this mechanistic switching to valence-induced electronic modulation, which stabilizes CO-derived intermediates and promotes sequential hydrogenation toward CH3OH, in contrast to HCOO stabilization in the reference NC. This work establishes that subtle modulation of the Cu(I)/Cu(II) balance can fundamentally redirect reaction pathways, providing a molecular-level strategy to overcome intrinsic selectivity limitations in Cu NC catalysis.
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