Understanding the Role of Potential and Cation Effect on Electrocatalytic CO2 Reduction in All-Alkynyl-Protected Ag15 Nanoclusters

化学 纳米团簇 电化学 氧化还原 法拉第效率 催化作用 离解(化学) 电子转移 金属 不稳定 无机化学 光化学 物理化学 电极 有机化学 社会心理学 心理学
作者
Yuping Chen,Xia Zhou,Xunying Liu,Zhenghua Tang,Likai Wang,Qing Tang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15112
摘要

Atomically precise metal nanoclusters (NCs) have emerged as an intriguing class of model catalysts for electrochemical CO2 reduction reactions (CO2RR). However, the interplay between the interface environment (e.g., potential, cation concentration) and electron–proton transfer (ET/PT) kinetics─particularly in alkynyl-protected metal NCs─remains poorly understood. Here, we combined first-principles simulations and electrochemical experiments to investigate the role of potential and cation effect on CO2RR performance in a prototype all-alkynyl-protected Ag15(C≡C–CH3)+ cluster. Our simulations revealed that the applied reduction potential triggers the elimination of the alkynyl ligand via sequentially breaking two π-type Ag–C bonds and one σ-type Ag–C bond to expose the catalytically active Ag sites, and the barrier of the Ag–C breakage monotonically decreases with the lowering in potential. Furthermore, we show that introducing the inner-sphere Na+ ions greatly enhances *CO2 activation and promotes proton transfer to generate *COOH and *CO by forming the Na+–CO2(*COOH) complexes, while the competitive hydrogen evolution reaction (HER) from water dissociation is greatly suppressed, thus dramatically improving the selectivity of CO2 electroreduction. The electrochemical measurements further validated our predictions, where the CO Faradaic efficiency (FECO) and current density (jCO) show a pronounced dependence on the Na+ concentration. At an optimal concentration of 0.1 M NaCl, FECO can reach up to ∼96%, demonstrating the crucial role of cations in promoting the CO2RR. Our findings provide vital insights into the atomic-level reaction mechanism of the CO2RR on alkynyl-protected Ag15 NCs and highlight the important role of potential and electrolyte cation in governing the electron/proton transfer kinetics.
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