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Enzymatic Activation and Continuous Electrochemical Production of Methane from Dilute CO2 Sources with a Self-Healing Capsule

化学 烟气 电催化剂 电解 电化学 甲烷 催化作用 本体电解 化学工程 基质(水族馆) 无机化学 电极 有机化学 循环伏安法 物理化学 工程类 海洋学 电解质 地质学
作者
Jinfeng Wang,Xu Jing,Yang Yang,Baijie Xu,Ruiming Jia,Chunying Duan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (29): 19951-19961 被引量:13
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03367
摘要

Converting dilute CO2 source into value-added chemicals and fuels is a promising route to reduce fossil fuel consumption and greenhouse gas emission, but integrating electrocatalysis with CO2 capture still faced marked challenges. Herein, we show that a self-healing metal-organic macrocycle functionalized as an electrochemical catalyst to selectively produce methane from flue gas and air with the lowest applied potential so far (0.06 V vs reversible hydrogen electrode, RHE) through an enzymatic activation fashion. The capsule emulates the enzyme' pocket to abstract one in situ-formed CO2-adduct molecule with the commercial amino alcohols, forming an easy-to-reduce substrate-involving clathrate to combine the CO2 capture with electroreduction for a thorough CO2 reduction. We find that the self-healing system exhibited enzymatic kinetics for the first time with the Michaelis-Menten mechanism in the electrochemical reduction of CO2 and maintained a methane Faraday efficiency (FE) of 74.24% with a selectivity of over 99% for continuous operation over 200 h. A consecutive working lab at 50 mA·cm-2, in an eleven-for-one (10 h working and 1 h healing) electrolysis manner, gives a methane turnover number (TON) of more than 10,000 within 100 h. The integrated electrolysis with CO2 capture facilitates the thorough reduction of flue gas (ca. 13.0% of CO2) and first time of air (ca. 400 ppm of CO2 to 42.7 mL CH4 from 1.0 m3 air). The new self-healing strategy of molecular electrocatalyst with an enzymatic activation manner and anodic shifting of the applied potentials provided a departure from the existing electrochemical catalytic techniques.
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