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N and OH-Immobilized Cu3 Clusters In Situ Reconstructed from Single-Metal Sites for Efficient CO2 Electromethanation in Bicontinuous Mesochannels

化学 催化作用 甲烷 多相催化 吸附 碳纤维 化学工程 原位 纳米技术 物理化学 有机化学 材料科学 复合数 工程类 复合材料
作者
Fuping Pan,Lingzhe Fang,Boyang Li,Xiaoxuan Yang,Thomas O’Carroll,Haoyang Li,Tao Li,Guofeng Wang,Kai‐Jie Chen,Gang Wu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (2): 1423-1434 被引量:118
标识
DOI:10.1021/jacs.3c10524
摘要

Cu-based catalysts hold promise for electrifying CO 2 to produce methane, an extensively used fuel. However, the activity and selectivity remain insufficient due to the lack of catalyst design principles to steer complex CO 2 reduction pathways. Herein, we develop a concept to design carbon-supported Cu catalysts by regulating Cu active sites’ atomic-scale structures and engineering the carbon support’s mesoscale architecture. This aims to provide a favorable local reaction microenvironment for a selective CO 2 reduction pathway to methane. In situ X-ray absorption and Raman spectroscopy analyses reveal the dynamic reconstruction of nitrogen and hydroxyl-immobilized Cu 3 (N,OH-Cu 3 ) clusters derived from atomically dispersed Cu–N 3 sites under realistic CO 2 reduction conditions. The N,OH-Cu 3 sites possess moderate *CO adsorption affinity and a low barrier for *CO hydrogenation, enabling intrinsically selective CO 2 -to-CH 4 reduction compared to the C–C coupling with a high energy barrier. Importantly, a block copolymer-derived carbon fiber support with interconnected mesopores is constructed. The unique long-range mesochannels offer an H 2 O-deficient microenvironment and prolong the transport path for the CO intermediate, which could suppress the hydrogen evolution reaction and favor deep CO 2 reduction toward methane formation. Thus, the newly developed catalyst consisting of in situ constructed N,OH-Cu 3 active sites embedded into bicontinuous carbon mesochannels achieved an unprecedented Faradaic efficiency of 74.2% for the CO 2 reduction to methane at an industry-level current density of 300 mA cm –2 . This work explores effective concepts for steering desirable reaction pathways in complex interfacial catalytic systems via modulating active site structures at the atomic level and engineering pore architectures of supports on the mesoscale to create favorable microenvironments.
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