Atomically Thin, Ionic–Covalent Organic Nanosheets for Stable, High‐Performance Carbon Dioxide Electroreduction

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作者
Yun Mi Song,Jun‐Jie Zhang,Yubing Dou,Zhaohua Zhu,Jianjun Su,Libei Huang,Weihua Guo,Xiaohu Cao,Le Cheng,Zonglong Zhu,Zhenhua Zhang,Xiaoyan Zhong,Deng‐Tao Yang,Zhaoyu Wang,Ben Zhong Tang,Boris I. Yakobson,Ruquan Ye
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (42) 被引量:44
标识
DOI:10.1002/adma.202110496
摘要

The incorporation of charged functional groups is effective to modulate the activity of molecular complexes for the CO2 reduction reaction (CO2 RR), yet long-term heterogeneous electrolysis is often hampered by catalyst leaching. Herein, an electrocatalyst of atomically thin, cobalt-porphyrin-based, ionic-covalent organic nanosheets (CoTAP-iCONs) is synthesized via a post-synthetic modification strategy for high-performance CO2 -to-CO conversion. The cationic quaternary ammonium groups not only enable the formation of monolayer nanosheets due to steric hindrance and electrostatic repulsion, but also facilitate the formation of a *COOH intermediate, as suggested by theoretical calculations. Consequently, CoTAP-iCONs exhibit higher CO2 RR activity than other cobalt-porphyrin-based structures: an 870% and 480% improvement of CO current densities compared to the monomer and neutral nanosheets, respectively. Additionally, the iCONs structure can accommodate the cationic moieties. In a flow cell, CoTAP-iCONs attain a very small onset overpotential of 40 mV and a stable total current density of 212 mA cm-2 with CO Faradaic efficiency of >95% at -0.6 V for 11 h. Further coupling the flow electrolyzer with commercial solar cells yields a solar-to-CO conversion efficiency of 13.89%. This work indicates that atom-thin, ionic nanosheets represent a promising structure for achieving both tailored activity and high stability.
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