Adapting Atomic Configuration Steers Dynamic Half-Occupied State for Efficient CO2 Electroreduction to CO

化学 催化作用 过渡金属 电子组态 电子结构 金属 化学物理 X射线吸收光谱法 吸收光谱法 计算化学 物理 离子 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Jia-Li Wang,Hui Tan,Chia‐Shuo Hsu,You‐Chiuan Chu,C.C. Chan,Kuan-Hsu Chen,Xu Lin,Yi-Chun Lee,Hsiao‐Chien Chen,Hao Ming Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03121
摘要

Electronic structures stand at the center to essentially understand the catalytic performance and reaction mechanism of atomically dispersed transition-metal–nitrogen–carbon catalysts (ADTCs). However, under realistic electrocatalytic conditions, the dynamic electronic disturbance at metal centers originating from complicated interactions with microenvironments is commonly neglected, which makes a true structure–property correlation highly ambiguous. Here, we employ operando time-resolved X-ray absorption spectroscopy to delve deeply into dynamic electronic behaviors of a family of transition-metal centers that are observed to adaptively vary in the metal–ligand configuration during the CO2 electroreduction reaction. We identify dynamic electronic/geometric configuration and d-orbital occupation under working conditions, demonstrating an unprecedentedly precise activity descriptor, i.e., dynamic axial dz2 electron, for the CO2-to-CO conversion. Direct results validate that the half-occupied state suggests the optimum binding behaviors with intermediates, significantly promoting CO production, which has been demonstrated by a significant kinetics enhancement of 1 to 2 orders of magnitude as compared with fully occupied and unoccupied states. This work presents the first empirical demonstration for a real correlation between the dynamic electronic/geometric configuration and catalytic kinetics in ADTCs, paving a new way for modulating catalysts and designing highly efficient reaction pathways.
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