Active Sites of Cobalt Phthalocyanine in Electrocatalytic CO2 Reduction to Methanol

甲醇 化学 催化作用 酞菁 还原(数学) 金属 无机化学 电催化剂 有机化学 物理化学 电化学 电极 几何学 数学
作者
Conor L. Rooney,Mason Lyons,Yueshen Wu,Gongfang Hu,Maoyu Wang,Chungseok Choi,Yuanzuo Gao,Chun‐Wai Chang,Gary W. Brudvig,Zhenxing Feng,Hailiang Wang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (2): e202310623-e202310623 被引量:96
标识
DOI:10.1002/anie.202310623
摘要

Many metal coordination compounds catalyze CO2 electroreduction to CO, but cobalt phthalocyanine hybridized with conductive carbon such as carbon nanotubes is currently the only one that can generate methanol. The underlying structure-reactivity correlation and reaction mechanism desperately demand elucidation. Here we report the first in situ X-ray absorption spectroscopy characterization, combined with ex situ spectroscopic and electrocatalytic measurements, to study CoPc-catalyzed CO2 reduction to methanol. Molecular dispersion of CoPc on CNT surfaces, as evidenced by the observed electronic interaction between the two, is crucial to fast electron transfer to the active sites and multi-electron CO2 reduction. CO, the key intermediate in the CO2 -to-methanol pathway, is found to be labile on the active site, which necessitates a high local concentration in the microenvironment to compete with CO2 for active sites and promote methanol production. A comparison of the electrocatalytic performance of structurally related porphyrins indicates that the bridging aza-N atoms of the Pc macrocycle are critical components of the CoPc active site that produces methanol. In situ X-ray absorption spectroscopy identifies the active site as Co(I) and supports an increasingly non-centrosymmetric Co coordination environment at negative applied potential, likely due to the formation of a Co-CO adduct during the catalysis.
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