Enhanced CO2 Reactive Capture and Conversion Using Aminothiolate Ligand–Metal Interface

化学 催化作用 配体(生物化学) 选择性 金属 密度泛函理论 选择性还原 烷基 碳纤维 无机化学 化学工程 组合化学 有机化学 计算化学 受体 复合材料 材料科学 工程类 复合数 生物化学
作者
Mingyu Wan,Zhengyang Yang,Heba Morgan,Jinquan Shi,Fan Shi,Mengxia Liu,Hsi‐Wu Wong,Zhiyong Gu,Fanglin Che
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (48): 26038-26051 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06888
摘要

Metallic catalyst modification by organic ligands is an emerging catalyst design in enhancing the activity and selectivity of electrocatalytic carbon dioxide (CO2) reactive capture and reduction to value-added fuels. However, a lack of fundamental science on how these ligand–metal interfaces interact with CO2 and key intermediates under working conditions has resulted in a trial-and-error approach for experimental designs. With the aid of density functional theory calculations, we provided a comprehensive mechanism study of CO2 reduction to multicarbon products over aminothiolate-coated copper (Cu) catalysts. Our results indicate that the CO2 reduction performance was closely related to the alkyl chain length, ligand coverage, ligand configuration, and Cu facet. The aminothiolate ligand–Cu interface significantly promoted initial CO2 activation and lowered the activation barrier of carbon–carbon coupling through the organic (nitrogen (N)) and inorganic (Cu) interfacial active sites. Experimentally, the selectivity and partial current density of the multicarbon products over aminothiolate-coated Cu increased by 1.5-fold and 2-fold, respectively, as compared to the pristine Cu at −1.16 VRHE, consistent with our theoretical findings. This work highlights the promising strategy of designing the ligand–metal interface for CO2 reactive capture and conversion to multicarbon products.
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