Promote electroreduction of CO 2 via catalyst valence state manipulation by surface-capping ligand

电催化剂 可逆氢电极 格式化 价(化学) 电化学 配体(生物化学) 催化作用 化学 无机化学 物理化学 电极 工作电极 有机化学 受体 生物化学
作者
Yilin Zhao,Xiaoqing Liu,Jingyi Chen,Junmei Chen,Jiayi Chen,Lei Fan,Haozhou Yang,Shibo Xi,Lei Shen,Lei Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (22) 被引量:22
标识
DOI:10.1073/pnas.2218040120
摘要

Electrochemical CO2 reduction provides a potential means for synthesizing value-added chemicals over the near equilibrium potential regime, i.e., formate production on Pd-based catalysts. However, the activity of Pd catalysts has been largely plagued by the potential-depended deactivation pathways (e.g., [Formula: see text]-PdH to [Formula: see text]-PdH phase transition, CO poisoning), limiting the formate production to a narrow potential window of 0 V to -0.25 V vs. reversible hydrogen electrode (RHE). Herein, we discovered that the Pd surface capped with polyvinylpyrrolidone (PVP) ligand exhibits effective resistance to the potential-depended deactivations and can catalyze formate production at a much extended potential window (beyond -0.7 V vs. RHE) with significantly improved activity (~14-times enhancement at -0.4 V vs. RHE) compared to that of the pristine Pd surface. Combined results from physical and electrochemical characterizations, kinetic analysis, and first-principle simulations suggest that the PVP capping ligand can effectively stabilize the high-valence-state Pd species (Pdδ+) resulted from the catalyst synthesis and pretreatments, and these Pdδ+ species are responsible for the inhibited phase transition from [Formula: see text]-PdH to [Formula: see text]-PdH, and the suppression of CO and H2 formation. The present study confers a desired catalyst design principle, introducing positive charges into Pd-based electrocatalyst to enable efficient and stable CO2 to formate conversion.
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