The Proximal Protonation Source in Cu‐NHx‐C Single Atom Catalysts Selectively Boosts CO2 to Methane Electroreduction

催化作用 化学 质子化 甲烷 甲烷厌氧氧化 法拉第效率 氧化物 氧化还原 部分 电化学 无机化学 选择性 二氧化碳电化学还原 石墨烯 组合化学 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 材料科学 离子 一氧化碳
作者
Rongming Cai,Hong Zhu,Fei Yang,Min Ju,Xianzhen Huang,Jian Wang,Meng Gu,Jiali Gao,Shihe Yang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
被引量:7
标识
DOI:10.1002/anie.202424098
摘要

Regulating the coordination environment of active sites has proved powerful for tapping into their catalytic activity and selectivity in homogeneous catalysis, yet the heterogeneous nature of copper single‐atom catalysts (SACs) makes it challenging. This work reports a bottom‐up approach to construct a SAC (rGO@Cu‐N(Hx)‐C) by inlaying preformed amine coordinated Cu2+ units into reduced graphene oxide (rGO), permitting molecular level revelation on how the proximal N‐site functional groups (N‐H or N‐CH3) impact on the carbon dioxide reduction reaction (CO2RR). It is demonstrated that the N‐H moiety of rGO@Cu‐NHx‐C can serve as an in‐situ protonation agent to accelerate the CO2‐to‐methane reduction kinetics, delivering a methane current density (163 mA/cm2) 2.42‐times that with the ‐CH3 substituted counterpart rGO@Cu‐N‐C. Operando spectroscopic studies and theoretical calculations elucidate that the high methane faradaic efficiency (77.1%) achieved here is enabled by opening up the energetically favorable formyl pathway (*OCHO pathway) against the traditional *CO pathway that normally leads to various CO2RR products other than methane. Our strategy sets the stage to precisely modulate single‐atom catalysts for efficient and selective electrochemical CO2 reduction.
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