Low‐Coordination Indium Single‐Atom Sites Anchored on a Metal‐Organic Framework Single‐Layer Boosts Electroreduction of CO2 into Formic Acid

甲酸 电解质 催化作用 化学 金属有机骨架 法拉第效率 无机化学 膜电极组件 电解 吸附 堆积 电极 化学工程 物理化学 有机化学 工程类
作者
Junyi Li,Jia‐Run Huang,Zhen‐Hua Zhao,Haolin Zhu,Pei‐Qin Liao,Xiao‐Ming Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202511132
摘要

The electroreduction of CO2 under acidic conditions presents both scientific significance and technical challenges. We developed a post‐synthetic modification strategy to anchor unexpected tetrahedral In(III) ions onto Zr‐oxo clusters of a single‐layer zirconium metal‐organic framework (denoted as Zr‐MOF‐In). Operating under harsh acidic conditions (pH = 1.67) at −1.8 V vs. RHE, the Zr‐MOF‐In catalyst demonstrates exceptional performance with 95.7% Faradaic efficiency for formic acid production and a current density of 213.3 mA cm−2. The system maintains operational stability over 20 hours without notable activity decay. Remarkably, when integrated into a membrane electrode assembly electrolyzer with solid‐state electrolyte at 4 V full‐cell voltage, Zr‐MOF‐In continuously generates pure formic acid solution (505.5 mmol L−1, 100% purity) free of electrolyte contamination, achieving a concentration 1.5‐fold higher than the current state‐of‐the‐art. Mechanistic investigations identify dual enhancement mechanisms: (i) the low‐coordinated In(III) single‐atom sites facilitate dual *HCOO intermediate binding, enhancing reaction kinetics beyond conventional single‐intermediate adsorption on high‐coordination metal centers; and (ii) the single‐layer MOF configuration optimizes active site exposure, synergistically maximizing catalytic efficiency.
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