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Covalently Modified Electrode with Bismuth Nanoparticles Encapsulated in Ultrathin Porous Organic Polymer Linked by Amine Bonding for Efficient CO2 Electroreduction

材料科学 共价键 纳米颗粒 电极 聚合物 胺气处理 多孔性 化学工程 共价有机骨架 纳米技术 无机化学 有机化学 复合材料 冶金 物理化学 化学 工程类
作者
Li Cui,Yan Wang,Changjiang Wang,Qichao Wu,Xuyu Lv,Shuxian Xie,Lichun Kong,Jiu‐Ju Feng,Zhengquan Li,Ai‐Jun Wang,Jinwei Kang,Yang Fa
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (18): 26594-26603 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c01473
摘要

Bismuth-based materials in electrocatalytic CO2 reduction (CO2RR) usually face the problem of high overpotential. We first show a covalently modified electrode with Bi nanoparticles encapsulated in ultrathin porous organic polymer nanosheets (POPs) with amine linkages to effectively reduce the overpotential for the CO2-to-formate conversion, which exhibits a high formate Faradaic efficiency (FEHCOO-) of 98.5% and a partial current density up to 148.7 mA cm-2 at -0.85 V in comparison with that of a bare bismuth electrode with a FEHCOO- of 85% at -1.15 V (versus a reversible hydrogen electrode). Different from the reaction mechanism with *CO2•- radicals as the intermediate over bare Bi sites, in situ spectroscopic studies and density functional theory calculations reveal that the abundant amine linkages in the POPs backbone provide chemisorption sites to interact with enriched CO2 molecules to form carbamates (*[-NCOO-]) intermediates with a low reaction barrier of 0.064 eV, which significantly reduces the free energy for the conversion process of CO2 to formate. Moreover, the modified amine linkages promote water dissociation and the subsequent protonation reaction on the Bi surface with a reduced dissociation energy of -0.31 eV than that on the bare Bi surface of 0.11 eV. This work not only delivers a new mechanism for the CO2-to-formate conversion but also offers a clean platform to investigate the influence of covalently modification.
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