Pulsed-Potential Electrolysis Enhances Electrochemical C–N Coupling by Reorienting Interfacial Ions

电解 电化学 法拉第效率 本体电解 氧化还原 电解质 杂原子 化学 密度泛函理论 无机化学 化学工程 材料科学 电极 物理化学 有机化学 计算化学 工程类 戒指(化学)
作者
Carter S. Gerke,Matthew Klenk,Peter Zapol,V. Sara Thoi
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (22): 14540-14547 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c03027
摘要

The electrochemical processing of anthropogenic CO2 is an emerging technology aimed at utilizing renewable energies to synthesize valuable chemicals. Recently, developments in broadening the scope of the CO2 reduction reaction (CO2RR) by enabling heteroatom coupling have surged with a focus on C–N bond formation. Herein, we investigate the factors that govern the selectivity and activity in synthesizing urea from environmentally malignant chemical feedstocks (CO2 and NO3–). Through a combination of electrolyte optimization and pulsed potential electrolysis, electrochemical urea production was optimized to a Faradaic efficiency of 60.4% with current densities reaching as high as 310 μA cm–2. This work was further supported by in situ surface enhanced infrared absorbance spectroscopy that reveals the formation of C–N-related species at low overpotentials. Density functional theory calculations revealed that the reaction progresses between early reduction intermediates for the CO2RR and NO3RR and offered insights into the impacts of pulsed-potential on substrate transport.
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