Boosting CO2 Electroreduction over a Covalent Organic Framework in the Presence of Oxygen

共价键 共价有机骨架 部分 氧气 氧化还原 密度泛函理论 化学 酞菁 分子 法拉第效率 共轭体系 金属有机骨架 电化学 无机化学 光化学 立体化学 电极 有机化学 物理化学 计算化学 吸附 聚合物
作者
Hui Guo,Duan‐Hui Si,Hongfei Zhu,Zi-Ao Chen,Rong Cao,Yuan‐Biao Huang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (14) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/anie.202319472
摘要

Herein, we propose an oxygen-containing species coordination strategy to boost CO2 electroreduction in the presence of O2. A two-dimensional (2D) conjugated metal-covalent organic framework (MCOF), denoted as NiPc-Salen(Co)2-COF that is composed of the Ni-phthalocyanine (NiPc) unit with well-defined Ni-N4-O sites and the salen(Co)2 moiety with binuclear Co-N2O2 sites, is developed and synthesized for enhancing the CO2RR under aerobic condition. In the presence of O2, one of the Co sites in the NiPc-Salen(Co)2-COF that coordinated with the intermediate of *OOH from ORR could decrease the energy barrier of the activation of CO2 molecules and stabilize the key intermediate *COOH of the CO2RR over the adjacent Co center. Besides, the oxygen species axially coordinated Ni-N4-O sites can favor in reducing the energy barrier of the intermediate *COOH formation for the CO2RR. Thus, NiPc-Salen(Co)2-COF exhibits high oxygen-tolerant CO2RR performance and achieves outstanding CO Faradaic efficiency (FECO) of 97.2 % at -1.0 V vs. the reversible hydrogen electrode (RHE) and a high CO partial current density of 40.3 mA cm-2 at -1.1 V in the presence of 0.5 % O2, which is superior to that in pure CO2 feed gas (FECO=94.8 %, jCO=19.9 mA cm-2). Notably, the NiPc-Salen(Co)2-COF achieves an industrial-level current density of 128.3 mA cm-2 in the flow-cell reactor with 0.5 % O2 at -0.8 V, which is higher than that in pure CO2 atmosphere (jCO=104.8 mA cm-2). It is worth noting that an excellent FECO of 86.8 % is still achieved in the presence of 5 % O2 at -1.0 V. This work provides an effective strategy to enable the CO2RR under O2 atmosphere by utilizing the *OOH intermediates of ORR to boost CO2 electroreduction.
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