Nano-encapsulation: overcoming conductivity limitations by growing MOF nanoparticles in meso-porous carbon enables high electrocatalytic performance

材料科学 金属有机骨架 化学工程 纳米颗粒 介孔材料 电催化剂 碳纤维 电解质 纳米技术 电化学 催化作用 多孔性 结晶度 电极 复合数 复合材料 吸附 有机化学 化学 物理化学 工程类
作者
Krishnamoorthy Sathiyan,Asmita Dutta,Vered Marks,Ohad Fleker,Tomer Zidki,Richard D. Webster,Arie Borenstein
出处
期刊:Npg Asia Materials [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41427-022-00459-4
摘要

Abstract Among the methods employed for carbon capture, the electroreduction of CO 2 offers both a reduction in CO 2 levels and the possibility of recycling it into commodity chemicals. However, the most efficient catalysts for this reaction are precious metals. To achieve cost-effective processes, other elements should be used. Transition-metal atoms coordinated with metal-organic frameworks (MOFs) exhibit high performance as electrocatalysts. However, the isolating natures of MOFs limit their utilization as electrocatalysts. In this study, we grew MOF nanoparticles inside hierarchically mesoporous carbon instead of mixing the MOFs with conductive carbon. The incorporated MOF nanoparticles showed improved properties compared with those of MOFs mixed with carbon, indicating strong electronic interactions in the composites. The encapsulated MOF nanoparticles demonstrated high electric conductivity while preserving their original crystallinity. When used as electrodes in CO 2 electroreduction, the MOFs exhibited a high electroactive coverage of 155 nmol cm −2 . Moreover, in a CO 2 -saturated electrolyte, the composites exhibited excellent electrochemical performance, including a small onset potential (−0.31 V vs. RHE) and large reduction currents (−18 mA. cm −2 at −1.0 V); these were considerably higher than those usually reported for MOF-based materials except in CO electroreduction. Importantly, the composite produced valuable hydrogenated commodity chemicals, including formic acid.

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