Mechanistic insights into CO2 conversion chemistry of copper bis-(terpyridine) molecular electrocatalyst using accessible operando spectrochemistry

三吡啶 电催化剂 催化作用 化学 活动站点 电子转移 组合化学 光化学 金属 电化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Huihui Zhang,Chang Xu,Xiaowen Zhan,Yu Yu,Kaifu Zhang,Qiquan Luo,Shan Gao,Jinlong Yang,Yi Xie
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:51
标识
DOI:10.1038/s41467-022-33689-9
摘要

The implementation of low-cost transition-metal complexes in CO2 reduction reaction (CO2RR) is hampered by poor mechanistic understanding. Herein, a carbon-supported copper bis-(terpyridine) complex enabling facile kilogram-scale production of the catalyst is developed. We directly observe an intriguing baton-relay-like mechanism of active sites transfer by employing a widely accessible operando Raman/Fourier-transform infrared spectroscopy analysis coupled with density functional theory computations. Our analyses reveal that the first protonation step involves Cu-N bond breakage before the *COOH intermediate forms exclusively at the central N site, followed by an N-to-Cu active site transfer. This unique active site transfer features energetically favorable *CO formation on Cu sites, low-barrier CO desorption and reversible catalyst regeneration, endowing the catalyst with a CO selectively of 99.5 %, 80 h stability, and a turn-over efficiency of 9.4 s-1 at -0.6 V vs. the reversible hydrogen electrode in an H-type cell configuration. We expect that the approach and findings presented here may accelerate future mechanistic studies of next-generation CO2RR electrocatalysts.
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