Electrochemical C–N Bond Formation within Boron Imidazolate Cages Featuring Single Copper Sites

化学 咪唑酯 电化学 结晶学 无机化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Carter S. Gerke,Yuting Xu,Yuwei Yang,Gregory D. Foley,Briana Zhang,Ethan Shi,Nicholas M. Bedford,Fanglin Che,V. Sara Thoi
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (48): 26144-26151 被引量:59
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08359
摘要

Electrocatalysis expands the ability to generate industrially relevant chemicals locally and on-demand with intermittent renewable energy, thereby improving grid resiliency and reducing supply logistics. Herein, we report the feasibility of using molecular copper boron-imidazolate cages, BIF-29(Cu), to enable coupling between the electroreduction reaction of CO2 (CO2RR) with NO3– reduction (NO3RR) to produce urea with high selectivity of 68.5% and activity of 424 μA cm–2. Remarkably, BIF-29(Cu) is among the most selective systems for this multistep C–N coupling to-date, despite possessing isolated single-metal sites. The mechanism for C–N bond formation was probed with a combination of electrochemical analysis, in situ spectroscopy, and atomic-scale simulations. We found that NO3RR and CO2RR occur in tandem at separate copper sites with the most favorable C–N coupling pathway following the condensation between *CO and NH2OH to produce urea. This work highlights the utility of supramolecular metal–organic cages with atomically discrete active sites to enable highly efficient coupling reactions.
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