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 断裂(地质) 工程类 岩土工程
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:109
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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