Spatially Decoupled Cu Single Atoms and Nanoclusters Enabling Tandem Electrocatalytic Acetylene-to-Ethylene

纳米团簇 催化作用 材料科学 串联 电催化剂 纳米技术 铜 化学工程 化学物理 化学 密度泛函理论 结晶学 过渡金属 吸附 金属 无机化学 纳米颗粒 光电子学
作者
Chunxiao Jin,Shitong Liu,Zikun Wang,Xicheng Zhang,Congyu Pan,Aihua Liu,Mingqi Qin,Yuxue Yue,S S Wang,Renqin Chang,Zhong-Ting Hu,Jia Zhao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c00472
摘要

High-load and high-dispersion strategies are an effective way to compensate for the inherent lack of activity of non-precious metals. However, high-load and high-dispersion catalysts are limited by the entropy increase principle and are not only difficult to prepare but also difficult to establish structure–performance relationships in heterogeneous catalytic systems. Here, we report Cu–Cux/MOF-200 catalysts for electrochemical acetylene selective hydrogenation (EASH) featuring high-load and high-dispersion synergistic Cu single atoms (SAs) and nanocluster sites (NCs). Experimental and theoretical calculations show the reactants H2O and C2H2 compete for adsorption at Cu NC/NP sites, while the efficient dual-site synergistic effect compensates for the difficulties in C2H2 activation and insufficient hydrogen ion supply under high current density. The electron-deficient Cu SAs weaken the energy barrier for H2O dissociation, while a linear relationship exists between particle size and valence state of Cu active sites for acetylene activation. Finally, the Cu–Cux/MOF-200 catalysts show no signs of deactivation after 51 h of long-term evaluation in an ethylene-rich atmosphere, achieving acetylene conversion exceeding 99.9% and ethylene selectivity exceeding 90%.
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