Green synthesis of bifunctional phthalocyanine-porphyrin COFs in water for efficient electrocatalytic CO2 reduction coupled with methanol oxidation

双功能 氧化还原 催化作用 甲醇 法拉第效率 共价有机骨架 酞菁 卟啉 共价键 材料科学 组合化学 化学工程 化学 光化学 电化学 纳米技术 无机化学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Mi Zhang,Jia‐Peng Liao,Run‐Han Li,Shengnan Sun,Meng Lu,Long‐Zhang Dong,Pei Huang,Shun‐Li Li,Yue‐Peng Cai,Ya‐Qian Lan
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:10 (11) 被引量:23
标识
DOI:10.1093/nsr/nwad226
摘要

Electrocatalytic CO2 reduction (ECR) coupled with organic oxidation is a promising strategy to produce high value-added chemicals and improve energy efficiency. However, achieving the efficient redox coupling reaction is still challenging due to the lack of suitable electrocatalysts. Herein, we designed two bifunctional polyimides-linked covalent organic frameworks (PI-COFs) through assembling phthalocyanine (Pc) and porphyrin (Por) by non-toxic hydrothermal methods in pure water to realize the above catalytic reactions. Due to the high conductivity and well-defined active sites with different chemical environments, NiPc-NiPor COF performs efficient ECR coupled with methanol oxidation reaction (MOR) (Faradaic efficiency of CO (FECO) = 98.12%, partial current densities of CO (jCO) = 6.14 mA cm-2 for ECR, FEHCOOH = 93.75%, jHCOOH = 5.81 mA cm-2 for MOR at low cell voltage (2.1 V) and remarkable long-term stability). Furthermore, experimental evidences and density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the ECR process mainly conducts on NiPc unit with the assistance of NiPor, meanwhile, the MOR prefers NiPor conjugating with NiPc. The two units of NiPc-NiPor COF collaboratively promote the coupled oxidation-reduction reaction. For the first time, this work achieves the rational design of bifunctional COFs for coupled heterogeneous catalysis, which opens a new area for crystalline material catalysts.
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