A Porous π–π Stacking Framework with Dicopper(I) Sites and Adjacent Proton Relays for Electroreduction of CO2 to C2+ Products

化学 堆积 法拉第效率 超分子化学 苯并三唑 电化学 密度泛函理论 质子化 结晶学 电极 计算化学 物理化学 离子 有机化学 晶体结构
作者
Haolin Zhu,Huiying Chen,Yuxuan Han,Zhen‐Hua Zhao,Pei‐Qin Liao,Xiao‐Ming Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (29): 13319-13326 被引量:155
标识
DOI:10.1021/jacs.2c04670
摘要

Crystalline porous materials sustained by supramolecular interactions (e.g., π-π stacking interactions) are a type of molecular crystals showing considerable stability, but their applications are rarely reported due to the high difficulty of their construction. Herein, a stable π-π stacking framework formed by a trinuclear copper(I) compound [Cu3(HBtz)3(Btz)Cl2] (CuBtz, HBtz = benzotriazole) with pyrazolate-bridged dicopper(I) sites is reported and employed for electrochemical CO2 reduction, showing an impressive performance of 73.7 ± 2.8% Faradaic efficiency for C2+ products [i.e., ethylene (44%), ethanol (21%), acetate (4.7%), and propanol (4%)] with a current density of 7.9 mA cm-2 at the potential of -1.3 V versus RHE in an H-type cell and a Faradic efficiency (61.6%) of C2+ products with a current density of ≈1 A cm-2 and a reaction rate of 5639 μmol m-2 s-1 at the potential of -1.6 V versus RHE in a flow cell device, representing an impressive performance reported to date. In-situ infrared spectroscopy, density functional theory calculations, and control experiments revealed that the uncoordinated nitrogen atoms of benzotriazolates in the immediate vicinity can act as proton relays and cooperate with the dicopper(I) site to promote the hydrogenation process of the *CO intermediate and the C-C coupling, resulting in the highly selective electroreduction of CO2 to C2+ products.
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