Enhanced CO2 Electroreduction Selectivity toward Ethylene on Pyrazolate-Stabilized Asymmetric Ni–Cu Hybrid Sites

化学 选择性 催化作用 电化学 法拉第效率 乙烯 电解 电解质 金属有机骨架 无机化学 化学工程 物理化学 电极 有机化学 吸附 工程类
作者
Liang Huang,Ziao Liu,Ge Gao,Cailing Chen,Yanrong Xue,Jiwu Zhao,Qiong Lei,Mengtian Jin,Chongqin Zhu,Yu Han,Joseph S. Francisco,Lu Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (48): 26444-26451 被引量:41
标识
DOI:10.1021/jacs.3c10600
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) possess well-defined, designable structures, holding great potential in enhancing product selectivity for electrochemical CO2 reduction (CO2R) through active site engineering. Here, we report a novel MOF catalyst featuring pyrazolate-stabilized asymmetric Ni/Cu sites, which not only maintains structural stability under harsh electrochemical conditions but also exhibits extraordinarily high ethylene (C2H4) selectivity during CO2R. At a cathode potential of -1.3 V versus RHE, our MOF catalyst, denoted as Cu1Ni-BDP, manifests a C2H4 Faradaic efficiency (FE) of 52.7% with an overall current density of 0.53 A cm-2 in 1.0 M KOH electrolyte, surpassing that on prevailing Cu-based catalysts. More remarkably, the Cu1Ni-BDP MOF exhibits a stable performance with only 4.5% reduction in C2H4 FE during 25 h of CO2 electrolysis. A suite of characterization tools─such as high-resolution transmission electron microscopy, X-ray absorption spectroscopy, operando X-ray diffraction, and infrared spectroscopy─and density functional theory calculations collectively reveal that the cubic pyrazolate-metal coordination structure and the asymmetric Ni-Cu sites in the MOF catalyst synergistically facilitate the stable formation of C2H4 from CO2.
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