Electrocatalytic Reduction of Carbon Dioxide in Acidic Electrolyte with Superior Performance of a Metal–Covalent Organic Framework over Metal–Organic Framework

电解质 共价有机骨架 无机化学 电催化剂 化学 金属 金属有机骨架 共价键 氧化还原 电导率 法拉第效率 电化学 电极 物理化学 有机化学 吸附
作者
Chang-Pu Wan,Hui Guo,Duan‐Hui Si,Shuiying Gao,Rong Cao,Yuan‐Biao Huang
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:4 (7): 2514-2522
标识
DOI:10.1021/jacsau.4c00246
摘要

CO2 electroreduction (CO2RR) to generate valuable chemicals in acidic electrolytes can improve the carbon utilization rate in comparison to that under alkaline conditions. However, the thermodynamically more favorable hydrogen evolution reaction under an acidic electrolyte makes the CO2RR a big challenge. Herein, robust metal phthalocyanine(Pc)-based (M = Ni, Co) conductive metal-covalent organic frameworks (MCOFs) connected by strong metal tetraaza[14]annulene (TAA) linkage, named NiPc–NiTAA and NiPc–CoTAA, are designed and synthesized to apply in the CO2RR in acidic electrolytes for the first time. The optimal NiPc–NiTAA exhibited an excellent Faradaic efficiency (FECO) of 95.1% and a CO partial current density of 143.0 mA cm–2 at −1.5 V versus the reversible hydrogen electrode in an acidic electrolyte, which is 3.1 times that of the corresponding metal–organic framework NiPc–NiN4. The comparison tests and theoretical calculations reveal that in-plane full π–d conjugation MCOF with a good conductivity of 3.01 × 10–4 S m–1 accelerates migration of the electrons. The NiTAA linkage can tune the electron distribution in the d orbit of metal centers, making the d-band center close to the Fermi level and then activating CO2. Thus, the active sites of NiPc and NiTAA collaborate to reduce the *COOH formation energy barrier, favoring CO production in an acid electrolyte. It is a helpful route for designing outstanding conductive MCOF materials to enhance CO2 electrocatalysis under an acidic electrolyte.
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