Molecularly Tailored Carbon Quantum Dots Enable Enhanced C─C Coupling in CO 2 Electroreduction

材料科学 催化作用 密度泛函理论 串联 纳米技术 法拉第效率 乙二醇 联轴节(管道) 乙烯 化学物理 量子点 工作(物理) 表面改性 表面工程 纳米颗粒 碳纤维 缩放比例 分子工程 量子 化学工程 电流密度 电催化剂 碳纳米管 电场 纳米尺度 量子化学 电极 领域(数学) 可逆氢电极 光化学 电化学 多相催化
作者
Kang Wang,Caihong Liang,Shuai Fu,Yong Li,Wenhui Liu,Huazhang Guo,Jiye Zhang,Peng Zhang,Joseph S. Francisco,Liang Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (29) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/adfm.202530561
摘要

Abstract Selective electroreduction of CO 2 to multi‐carbon products remains a major challenge due to competing hydrogen evolution, weak * CO stabilization, and intrinsic scaling relationships in conventional catalysts. Herein, a quantum dot‐enabled tandem catalyst is introduced, with Cu nanoparticles anchored onto cyano‐functionalized carbon quantum dots (Cu‐CQDs‐CN). Unlike traditional cyano‐modified Cu catalysts, CQDs serve as molecular carriers, enabling precise functionalization, interfacial electric field modulation, and regulated supply of surface * H. This molecular‐level engineering enhances * CO stabilization, promotes * CO─ * CHO coupling, and suppresses hydrogen evolution, thereby driving efficient C 2 H 4 formation. Such Cu‐CQDs‐CN catalyst achieves a Faradaic efficiency of ≈61% for ethylene at a high current density (≈574 mA cm −2 ). Operando spectroscopic analyses and density functional theory calculations reveal that CN functionalization on CQDs optimizes local proton availability and strengthens * CO adsorption, enabling preferential ethylene production. This work establishes a new paradigm of quantum dot‐enabled interfacial engineering for selective CO 2 conversion and offers a generalizable strategy for molecular‐level catalyst design.
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