Electric-field-driven CO2 polarization and bioinspired proton blocking unlock CO2 reduction in strong acid without metal cations

法拉第效率 电解 极化(电化学) 催化作用 阳离子聚合 金属 吸附 化学工程 偶极子 惰性 质子 材料科学 纳米技术 碳酸氢盐 化学 合理设计 无机化学 氯化物 电解水 质子输运 能量转换 盐(化学) 纳米结构 图层(电子) 组合化学 超极化(物理学) 阻塞效应 协同催化 酸催化
作者
Liwei Chen,Zhenbin Guo,Hui-Zi Huang,Wenjing Tian,Xiaoxue Chang,Qiang Hu,Di Liu,Chao Sun,Mingming Gao,Suqin Han,Shuhua Lv,Huiqin Zhou,Linyu Hu,Hongyu Mou,Xing Gao,Yuchen Hao,Wenxiu Yang,Qunsheng Li,Bo Wang,Jibin Song
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-68435-y
摘要

Metal-cation-free CO2 electroreduction (CO2R) in strong acidic media mitigates CO2 reactant losses, eliminates the risk of metal salt precipitation, and broadens device tolerance compared to acidic, neutral, or alkaline system using metal cations. However, such an acidic environment still poses challenges due to the inert and nonpolar nature of CO2 and intensely competitive hydrogen evolution reaction. Inspired by aquaporins in acidophiles, we engineer sharp-triangle Au nanostructures capped with a hexadecyltrimethylammonium chloride (CTAC) layer enriched with cationic sites. The intense local electric fields generated by the high-curvature tips of Au nanocatalyst polarize CO2 molecules, increasing their dipole moment to facilitate adsorption and activation. Meanwhile, the CTAC layer acts as a proton barrier, suppressing HER by mimicking the proton-blocking mechanism of aquaporins. This dual-function design enables continuous CO2R for 100 hours in a flow electrolyzer at pH 1.0, achieving an energy efficiency of 60% and near-unity Faradaic efficiency for CO production. This bioinspired strategy represents a significant advancement in CO2R technology by integrating rational catalyst design principles.
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