Microenvironment regulation breaks the Faradaic efficiency-current density trade-off for electrocatalytic deuteration using D2O

法拉第效率 电流密度 电流(流体) 电场 电合成 材料科学 化学 纳米技术 化学物理 光电子学 电极 电化学 物理 物理化学 热力学 量子力学
作者
Meng He,Rui Li,Chuanqi Cheng,Cuibo Liu,Bin Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49544-y
摘要

Abstract The high Faradaic efficiency (FE) of the electrocatalytic deuteration of organics with D 2 O at a large current density is significant for deuterated electrosynthesis. However, the FE and current density are the two ends of a seesaw because of the severe D 2 evolution side reaction at nearly industrial current densities. Herein, we report a combined scenario of a nanotip-enhanced electric field and surfactant-modified interface microenvironment to enable the electrocatalytic deuteration of arylacetonitrile in D 2 O with an 80% FE at −100 mA cm −2 . The increased concentration with low activation energy of arylacetonitrile due to the large electric field along the tips and the accelerated arylacetonitrile transfer and suppressed D 2 evolution by the surfactant-created deuterophobic microenvironment contribute to breaking the trade-off between a high FE and large current density. Furthermore, the application of our strategy in other deuteration reactions with improved Faradaic efficiencies at −100 mA cm −2 rationalizes the design concept.
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