In Situ Phase Transformation-Enabled Metal–Organic Frameworks for Efficient CO2 Electroreduction to Multicarbon Products in Strong Acidic Media

原位 金属有机骨架 相(物质) 材料科学 金属 无机化学 转化(遗传学) 化学工程 纳米技术 化学 有机化学 冶金 吸附 生物化学 基因 工程类
作者
Jinli Yu,Juan Xiao,Liang Guo,Zezhong Xie,Kun Wang,Yunhao Wang,Yunhao Wang,Fengkun Hao,Yangbo Ma,Jingwen Zhou,Pengyi Lu,Guozhi Wang,Xiang Meng,Zonglong Zhu,Qiang Li,Chongyi Ling,Jingying Sun,Yi Wang,Yi Wang,Shuqin Song
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (49): 33602-33613 被引量:53
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c12245
摘要

The electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) has been acknowledged as a promising strategy to relieve carbon emissions by converting CO 2 to essential chemicals. Despite significant progresses that have been made in neutral and alkaline media, the implementation of CO 2 RR in acidic conditions remains challenging due to the harsh conditions, especially in producing high-value multicarbon products. Here, we report that Cu-btca (btca = benzotriazole-5-carboxylic acid) metal–organic framework (MOF) nanostructures can act as a stable catalyst for the CO 2 RR in an acidic environment. The Cu-btca MOF undergoes phase transformation and morphology evolution during electrolysis, forming a stable porous Cu-btca MOF network. The resultant MOF network exhibits excellent selectivity toward ethylene and multicarbon products with Faradaic efficiencies of 51.2% and 81.9%, respectively, in a strong acidic electrolyte with a flow cell at 300 mA/cm 2 . Mechanism studies uncover that the Cu-btca MOF network can limit the proton reduction to suppress hydrogen evolution and maintain high local *CO concentration to promote CO 2 RR. Theoretical calculations suggest that two adjacent Cu sites in the Cu-btca MOF provide a favorable microenvironment for carbon–carbon coupling, facilitating the multicarbon production. This work reveals that rational structure control of MOFs can enable highly selective and efficient CO 2 electroreduction to multicarbon products in strong acidic conditions toward practical applications.
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