Hydrophobic molecular assembly at the gas-liquid-solid interface drives highly selective CO2 electromethanation

三吡啶 催化作用 电解质 格式化 水溶液 化学 化学工程 电化学 材料科学 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 工程类 金属
作者
Morgan McKee,Maximilian Kutter,Dieter Lentz,Moritz F. Kuehnel,Nikolay Kornienko
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2023-szllp
摘要

The modularity of molecular catalysts enables the tuning of both active site and peripheral units to maximize functionality, thus rendering them as ideal model systems to explore fundamental concepts in catalysis. Hydrophobicity is often regarded as an undesirable aspect that hinders their dissolution in aqueous electrolytes. In contrast, we modified established Co terpyridine catalysts with hydrophobic perfluorinated alkyl side chains and took advantage of their hydrophobic character by utilizing them not as dissolved species in an aqueous electrolyte but at the gas-liquid-solid interfaces on a gas diffusion electrode (GDE) applied towards the electrochemical reduction of CO2. We found that the self-assembly of these perfluorinated units on the GDE surface results in a catalytic system selective for CH4 production, whereas every other Co terpyridine catalyst reported before was only selective for CO or formate. An array of mechanistic and operando spectroscopic investigations suggests a mechanism in which the pyridine units function as proton shuttles that deliver protons to the dynamic hydrophobic pocket in which CO2 reduction takes place. Finally, optimizing the system by integrating fluorinated carbon nanotubes as a hydrophobic conductive scaffold leads to a Faradaic efficiency for CH4 production above 80% at rates above 10 mA/cm2, thus far unprecedented for a molecular electrocatalytic system.
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