Single-Point Linkage Engineering in Conjugated Phthalocyanine-Based Covalent Organic Frameworks for Electrochemical CO2 Reduction

过电位 酞菁 哌嗪 催化作用 电化学 化学 法拉第效率 共价有机骨架 电催化剂 组合化学 共价键 电极 有机化学 物理化学
作者
Wen‐Chang Chen,Yi Zhang,Mingyu Yang,Chao Yang,Meng Zheng
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1007/s40820-025-01754-9
摘要

Abstract The utilization of covalent organic frameworks (COFs) holds great potential for achieving tailorable tuning of catalytic performance through bottom-up modulation of the reticular structure. In this work, we show that a single-point structural alteration in the linkage within a nickel phthalocyanine (NiPc)-based series effectively modulates the catalytic performance of the COFs in electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR). A NiPc-based COF series with three members which possess the same NiPc unit but different linkages, including piperazine, dioxin, and dithiine, have been constructed by nucleophilic aromatic substitution reaction between octafluorophthalocyanine nickel and tetrasubstituted benzene linkers with different bridging groups. Among these COFs, the dioxin-linked COF showed the best activity of CO 2 RR with a current density of CO ( j CO ) = − 27.99 mA cm −2 at − 1.0 V (versus reversible hydrogen electrode, RHE), while the COF with piperazine linkage demonstrated an excellent selectivity of Faradaic efficiency for CO (FE CO ) up to 90.7% at a pretty low overpotential of 0.39 V. In addition, both a high FE CO value close to 100% and a reasonable j CO of − 8.20 mA cm –2 at the potential of − 0.8 V (versus RHE) were obtained by the piperazine-linked COF, making it one of the most competitive candidates among COF-based materials. Mechanistic studies exhibited that single-point structural alteration could tailor the electron density in Ni sites and alter the interaction between the active sites and the key intermediates adsorbed and desorbed, thereby tuning the electrochemical performance during CO 2 RR process.

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