Reprogramming the Microenvironment of Cobalt Phthalocyanine by a Targeted Multifunctional π-Conjugated Modulator Enables Concerted CO2 Electroreduction

电催化剂 共轭体系 石墨氮化碳 催化作用 氧化还原 法拉第效率 酞菁 电化学 化学 材料科学 组合化学 纳米技术 无机化学 电极 光催化 有机化学 物理化学 聚合物
作者
Zhihao Wang,Jing Yang,Zichen Song,Meiting Lu,Wenqian Wang,Zhiyu Ren,Zhimin Chen
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (11): 8138-8147 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c00802
摘要

Architecting the interfacial microenvironment is highly desirable for achieving enhanced electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR), but it is still a challenge. Herein, a π-conjugated matrix of graphitic carbon nitride/graphene (C3N4/G) is built to tailor cobalt phthalocyanine (CoPc) into an efficient CO2 electrocatalyst. The enhanced mechanism of microenvironment-mediated CO2RR on CoPc/C3N4/G is fully distinguished by integrating the experimental and theoretical results. C3N4/G is energetic for CO2 enrichment and H2O dissociation to produce activated H* species, which enables a ceaseless yet fast power injection into the kinetic process of the CO2RR. Meanwhile, the electron structure of Co active sites modulated by C3N4/G also thermodynamically favors the conversion of CO2 and intermediates. Consequently, in a flow cell, CoPc/C3N4/G delivers a high turnover frequency value (50.5 s–1), gratifying CO selectivity (∼100%) as well as current density (67.8 mA cm–2) at −1.1 V vs RHE, and maintains a Faradaic efficiency for CO above 98% in an ultrawide potential window of over 500 mV, ranking among the state-of-the-art macrocyclic complex-based catalysts currently reported for CO2 reduction to CO. This work underlines the significance of well-tailored microenvironment design in the electrocatalytic system.

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