Switching CO2 Electroreduction toward Ethanol by Delocalization State-Tuned Bond Cleavage

化学 键裂 离域电子 劈理(地质) 乙醇 电子离域 光化学 计算化学 有机化学 催化作用 岩土工程 断裂(地质) 工程类
作者
Zhengzheng Liu,Lu Song,Ximeng Lv,Mingtai Liu,Qianyou Wen,Linping Qian,Haozhen Wang,Maoyin Wang,Qing Han,Gengfeng Zheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (20): 14260-14266 被引量:38
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03830
摘要

The electrochemical CO2 reduction reaction by copper-based catalysts features a promising approach to generate value-added multicarbon (C2+) products. However, due to the unfavored formation of oxygenate intermediates on the catalyst surface, the selectivity of C2+ alcohols like ethanol remains unsatisfactory compared to that of ethylene. The bifurcation point (i.e., the CH2═CHO* intermediate adsorbed on Cu via a Cu–O–C linkage) is critical to the C2+ product selectivity, whereas the subsequent cleavage of the Cu–O or the O–C bond determines the ethanol or ethylene pathway. Inspired by the hard–soft acid–base theory, in this work, we demonstrate an electron delocalization tuning strategy of the Cu catalyst by a nitrene surface functionalization approach, which allows weakening and cleaving of the Cu–O bond of the adsorbed CH2═CHO*, as well as accelerating hydrogenation of the C═C bond along the ethanol pathway. As a result, the nitrene-functionalized Cu catalyst exhibited a much-enhanced ethanol Faradaic efficiency of 45% with a peak partial current density of 406 mA·cm–2, substantially exceeding that of unmodified Cu or amide-functionalized Cu. When assembled in a membrane electrode assembly electrolyzer, the catalyst presented a stable CO2-to-ethanol conversion for >300 h at an industrial current density of 400 mA·cm–2.
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