Exploration of the bio-analogous asymmetric C–C coupling mechanism in tandem CO2 electroreduction

氧合物 串联 化学 同位素标记 联轴节(管道) 固碳 光化学 催化作用 有机化学 二氧化碳 材料科学 复合材料 冶金
作者
Chubai Chen,Sunmoon Yu,Yao Yang,Sheena Louisia,Inwhan Roh,Jianbo Jin,Shouping Chen,Pengcheng Chen,Yu Shan,Peidong Yang
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:5 (10): 878-887 被引量:74
标识
DOI:10.1038/s41929-022-00844-w
摘要

C–C coupling is a critical step of CO2 fixation in constructing the carbon skeleton of value-added multicarbon products. The Wood–Ljungdahl pathway is an efficient natural process through which microbes transform CO2 into methyl and carbonyl groups and subsequently couple them together. This asymmetric coupling mechanism remains largely unexplored in inorganic CO2 electroreduction. Here we experimentally validate the asymmetric coupling pathway through isotope-labelled co-reduction experiments on a Cu surface where 13CH3I and 12CO are co-fed externally as the methyl and the carbonyl source, respectively. Isotope-labelled multicarbon oxygenates were detected, which confirms an electrocatalytic asymmetric coupling on the Cu surface. We further employed tandem Cu–Ag nanoparticle systems in which *CHx and *CO intermediates can be generated to achieve asymmetric C–C coupling for a practical CO2 electroreduction. We found that the production of multicarbon oxygenates is correlated with the generation rate of two intermediate indicators, CH4 and CO. By aligning their rates, the oxygenates generation rate can be maximized. An asymmetric C–C coupling (Wood–Ljungdahl) pathway has long been known in biological carbon fixation, whereas its occurrence in inorganic systems has remained unclear. In this study, the coupling of *CO and *CHx intermediates to form multicarbon oxygenates has been experimentally observed on Cu electrodes.
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