Engineering the Coordination Environment of Metal Centers for Selective and High-Current CO2 Electromethanation

化学 催化作用 质子化 纳米技术 法拉第效率 原子单位 活动站点 限制 物理化学 电化学 离子 有机化学 电极 机械工程 物理 工程类 量子力学 材料科学
作者
Chang Zhu,Dashuai Wang,Libin Zeng,Guanghui Feng,Yi Liang,Wanzhen Zheng,Weixiao Lin,Xianyun Peng,Zhibin Liu,Xiahan Sang,Bin Yang,Zhongjian Li,Qinghua Zhang,Lecheng Lei,Yang Hou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02458
摘要

Renewable energy-driven CO2 to CH4 conversion represents a pivotal strategy for achieving carbon neutrality, with the primary scientific challenge residing in controllably accelerating protonation kinetics. Atomically precise engineering of metal coordination catalysts offers a promising route to tailor reaction pathways. Herein, we construct a dual-active-site catalyst featuring Cu-S and Eu-N coordination centers. Through atomic-level engineering of active site microenvironments, the optimized catalyst demonstrates performance comparable to state-of-the-art systems, achieving a remarkable CH4 Faradaic efficiency of 75.8% alongside CH4 partial current density of 303.3 mA cm-2. Mechanistic studies reveal that isolated Cu sites hinder C-C coupling, while the strategically dispersed Eu sites facilitate efficient water activation, which is a critical process that generates abundant protons to accelerate the rate-limiting *CO hydrogenation step. This study establishes fundamental design principles for steering selective reaction pathways through atomic-scale modulation of active site architectures and their catalytic microenvironments.
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