Research on the Construction of a Series of Transition Metal-Substituted Keggin-Type TMSPOMs@PCN-224 Composites through the Encapsulation Method and Their Electron Transfer Mechanism in CO2RR

化学 电子转移 电化学 过渡金属 电子 金属 纳米技术 光化学 物理化学 电极 催化作用 有机化学 量子力学 物理 材料科学
作者
Yan Zhang,Can Li,Lei Shu,Yun‐Lei Teng,Bao‐Xia Dong
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:63 (25): 11592-11603 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.4c00840
摘要

In order to take advantage of the distinct reversible multielectron transfer properties of polyoxometalates (POMs) and increase the electron density at the active sites during the electrochemical reduction of CO2 (CO2RR), a range of transition metal-doped polyoxometalates (TMSPOMs) was entrapped within the porphyrin-based framework of PCN-224 via an encapsulation method, known as TMSPOMs@PCN-224 (TMSPOMs = [XW11O39MII(H2O)]n–, [XW11O40VIV]n–, M = CoII, MnII; X = Si, n = 6; X = P, n = 5). The central elements (Si, P) and the incorporated transition metals (VIV, CoII, and MnII) both play a role in adjusting the electronic structure and electron transfer during the CO2RR process. Remarkably, the composite material with cobalt substitution displayed significantly improved performance. Through fine-tuning the POM loading, the electrocatalytic activity was optimized, leading to an impressive Faradaic efficiency for CO production (FECO) of 89.9% for SiW11Co@PCN-224, a significant improvement compared to the 12.1% FECO of PCN-224. Furthermore, the electrochemical stability of this catalyst was demonstrated over 20 h. Comparative analyses involving six composite materials indicated a relationship between the negative charge of the polyanions and their ability to facilitate effective electron transfer, ultimately enhancing the catalyst's performance. Meanwhile, these findings were supported by density functional theory (DFT) calculations.
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