Linkage Engineering in Covalent Organic Frameworks for Metal‐Free Electrocatalytic C2H4 Production from CO2

催化作用 共价键 电催化剂 化学 电化学 材料科学 纳米技术 组合化学 化学工程 有机化学 电极 物理化学 工程类
作者
Yao Xiao,Jie Lu,Kean Chen,Yuliang Cao,Chengtao Gong,Fu‐Sheng Ke
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202404738
摘要

Electrocatalytic carbon dioxide reduction reaction (CO2RR) to produce ethylene (C2H4) is conducive to sustainable development of energy and environment. At present, most electrocatalysts for C2H4 production are limited to the heavy metal copper, meanwhile, achieving metal-free catalysis remains a challenge. Noted piperazine with sp3 N hybridization is beneficial to CO2 capture, but CO2RR performance and mechanism have been lacking. Herein, based on linkage engineering, we construct a novel high-density sp3 N catalytic array via introducing piperazine into the crystalline and microporous aminal-linked covalent organic frameworks (COFs). Thanks to its high sp3 N density, strong CO2 capture capacity and great hydrophilicity, aminal-linked COF successfully achieves the conversion of CO2 to C2H4 with a Faraday efficiency up to 19.1%, which is stand out in all reported metal-free COF electrocatalysts. In addition, a series of imine-linked COFs are synthesized and combined with DFT calculations to demonstrate the critical role of sp3 N in enhancing the kinetics of CO2RR. Therefore, this work reveals the extraordinary potential of linkage engineering in COFs to break through some catalytic bottlenecks.
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