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Coupling electron donors with proton repulsion via Pt-N3-S sites to boost CO2 reduction in CO2/H2 fuel cell

纳米团簇 质子化 催化作用 材料科学 化学物理 光化学 反键分子轨道 质子耦合电子转移 质子交换膜燃料电池 质子 纳米技术 电子转移 原子轨道 化学 电子 有机化学 离子 物理 量子力学
作者
Yan Liu,Chao Deng,Fuzhu Liu,Xin Dai,Xiubo Yang,Yuanzhen Chen,Zhen Wu,Shengwu Guo,Tewodros Asefa,Yongning Liu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:126: 109667-109667 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109667
摘要

A fuel cell involving CO2/H2 is an appealing energy system to convert CO2 into value-added fuels as well as to generate electricity using only waste heat. However, overcoming the inherent activation barrier of CO2 to improve the CO2 conversion rate in CO2/H2 fuel cell is still challenging. Herein, we report a synergistic electron-donor and proton-repulsion group composed of Pt-N3-S-C sites to simultaneously modulate the electronic structure and CO2-protonation ability of Ru nanoclusters (RuNC) in RuNC/Pt-N3-S-C catalyst. Experiments combined with theoretical calculations indicate that Pt-N3-S sites not only function as electron donors to Ru nanoclusters to cooperatively induce the orbital hybridization of Ru 3d and the antibonding orbitals of CO2, affording the dissociation of C=O bonds in CO2, but also as electronic structure "modulator" to create new active sites on the surface of RuNC to effectively active CO2 molecular. More importantly, an internal polarization field between Pt-N3-S-C and RuNC additionally makes single Pt sites repel proton while Ru atoms serve as proton capturers via hydrogen spillover effect, resulting in accelerated protonation of CO2. Consequently, the catalyst exhibits highly improved catalytic activities for the CO2 conversion with a conversion rate of 559.1 μmol gcat-1 h-1. This approach helps with fine tuning the electronic structures and catalytic CO2 protonation ability of catalysts for thermal-coupled electrocatalysis.

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