Impact of Side Chains in 1‐n‐Alkylimidazolium Ionomers on Cu‐Catalyzed Electrochemical CO2 Reduction

催化作用 电化学 法拉第效率 离聚物 化学 侧链 选择性 密度泛函理论 化学稳定性 反应机理 化学工程 材料科学 有机化学 物理化学 聚合物 电极 计算化学 共聚物 工程类
作者
Young In Song,Bohak Yoon,Chanwoo Lee,Dogyeong Kim,Man Ho Han,Hyungu Han,Woong Hee Lee,Da Hye Won,Jung Kyu Kim,Hyo Sang Jeon,Jai Hyun Koh
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/advs.202406281
摘要

Abstract This study presents the impact of the side chains in 1‐ n ‐alkylimidazolium ionomers with varying side chain lengths (C n H 2n+1 where n = 1, 4, 10, 16) on Cu‐catalyzed electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR). Longer side chains suppress the H 2 and CH 4 formation, with the n ‐hexadecyl ionomer ( n = 16) showing the greatest reduction in kinetics by up to 56.5% and 60.0%, respectively. On the other hand, C 2 H 4 production demonstrates optimal Faradaic efficiency with the n ‐decyl ionomer ( n = 10), a substantial increase of 59.9% compared to its methyl analog ( n = 1). Through a combination of density functional theory calculations and material characterization, it is revealed that the engineering of the side chains effectively modulates the thermodynamic stability of key intermediates, thus influencing the selectivity of both CO 2 RR and hydrogen evolution reaction. Moreover, ionomer engineering enables industrially relevant partial current density of –209.5 mA cm −2 and a Faradaic efficiency of 52.4% for C 2 H 4 production at 3.95 V, even with a moderately active Cu catalyst, outperforming previous benchmarks and allowing for further improvement through catalyst engineering. This study underscores the critical role of ionomers in CO 2 RR, providing insights into their optimal design for sustainable chemical synthesis.
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