Selective CO2 electrocatalysis at the pseudocapacitive nanoparticle/ordered-ligand interlayer

纳米颗粒 催化作用 电催化剂 配体(生物化学) 材料科学 选择性 金属 电化学 化学工程 纳米技术 化学 电极 物理化学 有机化学 生物化学 工程类 受体 冶金
作者
Dohyung Kim,Sunmoon Yu,Fan Zheng,Inwhan Roh,Yifan Li,Sheena Louisia,Zhiyuan Qi,Gábor A. Somorjai,Heinz Frei,Lin‐Wang Wang,Peidong Yang
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:5 (12): 1032-1042 被引量:132
标识
DOI:10.1038/s41560-020-00730-4
摘要

Enzymes feature the concerted operation of multiple components around an active site, leading to exquisite catalytic specificity. Realizing such configurations on synthetic catalyst surfaces remains elusive. Here, we report a nanoparticle/ordered-ligand interlayer that contains a multi-component catalytic pocket for high-specificity CO2 electrocatalysis. The nanoparticle/ordered-ligand interlayer comprises a metal nanoparticle surface and a detached layer of ligands in its vicinity. This interlayer possesses unique pseudocapacitive characteristics where desolvated cations are intercalated, creating an active-site configuration that enhances catalytic turnover by two orders and one order of magnitude against a pristine metal surface and nanoparticle with tethered ligands, respectively. The nanoparticle/ordered-ligand interlayer is demonstrated across several metals with up to 99% CO selectivity at marginal overpotentials and onset overpotentials of as low as 27 mV, in aqueous conditions. Furthermore, in a gas-diffusion environment with neutral media, the nanoparticle/ordered-ligand interlayer achieves nearly unit CO selectivity at high current densities (98.1% at 400 mA cm−2). The complex, multi-component environments found in enzymes induce high catalytic specificity, but are difficult to achieve in synthetic catalysts. Now, researchers report a catalyst comprising a dynamic, ordered layer of ligands above a nanoparticle surface that creates a pocket to facilitate CO2 electroreduction.
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