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Selective and Scalable CO2 Electrolysis Enabled by Conductive Zinc Ion-Implanted Zeolite-Supported Cadmium Oxide Nanoclusters

化学 纳米团簇 电解 沸石 无机化学 氧化镉 氧化物 离子 导电体 纳米技术 催化作用 电极 物理化学 有机化学 物理 材料科学 量子力学 电解质
作者
Zhen Zhang,Minzhe Li,Rui Gao,Shuwen Yang,Qianyi Ma,Renfei Feng,Haozhen Dou,Jianan Dang,Guobin Wen,Zhengyu Bai,Dianhua Liu,Ming Feng,Zhongwei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01061
摘要

Catalyst supports play an essential role in catalytic reactions, hinting at pronounced metal–support effects. Zeolites are a propitious support in heterogeneous catalysts, while their use in the electrocatalytic CO2 reduction reaction has been limited as yet because of their electrically insulating nature and serious competing hydrogen evolution reaction (HER). Enlightened by theoretical prediction, herein, we implant zinc ions into the structural skeleton of a zeolite Y to strategically tailor a favorable electrocatalytic platform with remarkably enhanced electronic conduction and strong HER inhibition capability, which incorporates ultrafine cadmium oxide nanoclusters as guest species into the supercages of the tailored 12-ring window framework. The metal d-bandwidth tuning of cadmium by skeletal zinc steers the extent of substrate–molecule orbital mixing, enhancing the stabilization of the key intermediate *COOH while weakening the CO poisoning effect. Furthermore, the strong cadmium–zinc interplay causes a considerable thermodynamic barrier for water dissociation in the conversion of H+ to *H, potently suppressing the competing HER. Therefore, we achieve an industrial-level partial current density of 335 mA cm–2 and remarkable Faradaic efficiency of 97.1% for CO production and stably maintain Faradaic efficiency above 90% at the industrially relevant current density for over 120 h. This work provides a proof of concept of tailored conductive zeolite as a favorable electrocatalytic support for industrial-level CO2 electrolysis and will significantly enhance the adaptability of conductive zeolite-based electrocatalysts in a variety of electrocatalysis and energy conversion applications.
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