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Cationic Microenvironment Enhancing Covalent Organic Frameworks for Electrocatalytic CO 2 to CH 4 Conversion

阳离子聚合 卟啉 化学 共价键 法拉第效率 质子 动力学 光化学 催化作用 反应中间体 电催化剂 反应中间体 密度泛函理论 离子 组合化学 反应机理 电子转移 工作(物理) 氢键 可逆氢电极 电化学 无机化学 化学动力学 还原(数学) 质子耦合电子转移
作者
Jingwei Han,Qi Xu,Zonghang Zhang,Yu Hu,Jun‐Sheng Qin,Min Wang,Heng Rao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e2113321-e2113321
标识
DOI:10.1002/anie.2113321
摘要

ABSTRACT Electrocatalytic reduction of CO 2 to CH 4 is hindered by sluggish proton‐coupled electron transfer kinetics and competing reaction pathways. Herein, we introduce a cationic microenvironment strategy that integrates reactant enrichment, proton regulation, and intermediate stabilization within a single framework. A tetra‐alkylammonium cation‐functionalized copper porphyrin covalent organic framework (Cu‐Tph‐COF‐N + ) achieves a CH 4 Faradaic efficiency of 66.8% at −1.2 V versus RHE, together with markedly enhanced turnover frequency and partial current density relative to its hydroxyl‐functionalized analogue. Mechanistically, the cationic framework generates a localized electrostatic field that concentrates CO 2 near active sites through charge‐dipole interactions while cooperatively interacting with hydrated K + ions to modulate proton transfer, thereby suppressing hydrogen evolution without compromising proton availability. The resulting electronic modulation at Cu porphyrin stabilizes key *COOH and *CHO intermediates and facilitates C–H bond formation, as supported by theoretical calculations and in situ spectroscopy. This work highlights cationic microenvironment engineering as a concise and general strategy to steer multi‐step CO 2 electroreduction toward deep reduction products.
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