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Ligand Engineered Metal−Organic Frameworks for Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Carbon Monoxide

金属有机骨架 沸石咪唑盐骨架 密度泛函理论 催化作用 电化学 化学 法拉第效率 配体(生物化学) 二氧化碳电化学还原 一氧化碳 吸附 咪唑酯 无机化学 电极 物理化学 有机化学 计算化学 生物化学 受体
作者
Tareq A. Al‐Attas,Nedal N. Marei,Xue Yong,Nael Yasri,Samira Siahrostami,George K. H. Shimizu,Venkataraman Thangadurai,Md Golam Kibria
出处
期刊:Meeting abstracts 卷期号:MA2021-01 (39): 1278-1278
标识
DOI:10.1149/ma2021-01391278mtgabs
摘要

The economic feasibility of electrocatalytic carbon dioxide reduction reaction (CO 2 RR) relies on the development of highly selective and efficient catalysts operating at a high current density. Herein, we explore a ligand engineering strategy involving the use of metal-organic frameworks (MOFs) and combining the desirable features of homogeneous and heterogeneous catalysts for boosting the activity of CO 2 RR. Zn-based MOFs involving two different azolate functional ligands i.e., 1,2,4-triazole (Calgary Framework-20, CALF-20) and 2-methylimidazole (zeolitic imidazolate framework-8, ZIF-8) were investigated for CO 2 RR in an alkaline flow cell electrolyzer. The highest CO partial current density of 53.2 mA/cm 2 was observed for a Zn-based MOF (CALF-20). CALF-20 showed the highest reported Faradaic efficiency of Zn-based MOFs for CO production (ca. 94% at -0.969 V vs. reversible hydrogen electrode, RHE), with a TOF of 1360.8 h -1 and a partial current density -32.8 mA/cm 2 . Experimental and density functional theory (DFT) results indicate that the sp 2 carbon atoms in azole ligands coordinated with the metal center in the MOFs are the active sites for CO 2 RR, due to the fully occupied 3 d orbital of Zn(II) centers. Ab initio investigation shows that both azolate frameworks in CALF-20 and ZIF-8 have most favorable adsorption sites at the N− sp 2 C. Adopting the triazole ligand in CALF-20 enhances the charge transfer (as compared with diazole group in ZIF-8), which induces more electrons in the adjacent active sites at the azole ligand and facilitates *COOH formation, boosting the current density and Faradaic efficiency towards CO production. This study suggests that ligand engineering in MOFs could be a viable approach to design highly efficient CO 2 RR catalyst.

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