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重磅!Science子刊、JACS共同聚焦單原子Cu催化劑!

今天帶來的是兩篇關(guān)于單原子Cu催化劑在CO、CO2電還原領(lǐng)域的最新研究進展。
眾所周知,金屬Cu被廣泛用于電催化CO2還原(CO2RR)制取C2+產(chǎn)物,這與Cu表面能夠同時吸附CO、實現(xiàn)C-C耦合有關(guān)。那么將Cu的尺寸作進一步限制,例如形成單原子位點,對CO2RR或CORR過程又有何影響?
如下文所述,單原子Cu表現(xiàn)出異常的CO2RR或CORR行為,這一點與金屬Cu有很大的差異。同時,與常規(guī)單原子催化劑一般只能通過CO2RR生產(chǎn)C1產(chǎn)物不同,在這里,單原子Cu催化劑能夠生產(chǎn)乙酸、乙醇,實在罕見!
接下來,一起領(lǐng)略單原子Cu催化劑的超能力!
1
Sci. Adv.:單原子Cu催化劑,電還原CO制取醋酸
重磅!Science子刊、JACS共同聚焦單原子Cu催化劑!
將二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)電還原成C2+碳氫化合物,如乙烯、乙醇、乙酸酯和丙醇,是一種有效地減少碳排放、同時電合成化學(xué)物質(zhì)的方法。對這些電催化過程中碳─碳(C-C)耦合機制的基本理解是設(shè)計和開發(fā)高能量和碳轉(zhuǎn)化效率的電化學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵。
匹茲堡大學(xué)王國峰教授、約翰霍普金斯大學(xué)王超教授等人報道了CO在單原子Cu電催化劑上的電還原反應(yīng)。原子分散的Cu在氮化碳基底上配位形成高密度的Cu-N基團。作者通過化學(xué)吸附,電催化和計算研究相結(jié)合,以探索催化機制。
與已知的Cu金屬表面的Langmuir-Hinshelwood機制不同,CO在單原子Cu位點上的吸附限制使吸附的(*CO)和氣態(tài)一氧化碳分子[CO(g)]之間的C-C耦合成為一種Eley-Rideal類型。孤立的Cu位點也選擇性地穩(wěn)定了關(guān)鍵的反應(yīng)中間體,決定了反應(yīng)途徑向不同的C2+產(chǎn)物的分叉。
相關(guān)工作以《CO electroreduction on single-atom copper》為題在《Science Advances》上發(fā)表論文。
圖文導(dǎo)讀
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圖1-1 Cu1@n-C3N4上電還原CO的示意圖
在這里,本文報道了一種單原子Cu電催化劑,用于選擇性地將CO還原為醋酸鹽。圖1顯示了在Cu1@n-C3N4上電催化CO還原的示意圖。
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圖1-2 合成與表征
通過對氯化銅(CuCl2)和尿素進行共熱解,獲得了負載于非化學(xué)計量的氮化碳的原子分散的Cu催化劑,表示為Cu1@n-C3N4。作者制備了兩種單原子Cu電催化劑(SAECs),金屬負載量分別為27和10 wt%(分別為Cu1@n-C3N4-27%和Cu1@n-C3N4-10%)。
基于STEM-EELS光譜成像分析的元素映射顯示,在n-C3N4上均勻分布著Cu物種(圖2B)。Cu的分布與N的關(guān)系比與C的關(guān)系更緊密,表明Cu優(yōu)先錨定在基底上的N位點。Cu1@n-C3N4的EELS光譜在~933和~953 eV處呈現(xiàn)白線特征。與Cu、Cu2O和CuO相比,這些特征可以分配給Cu1+的L3和L2吸收邊,這表明SAECs中Cu物種的氧化態(tài)為+1(圖2C)。
本文用XAS測定了Cu SAECs的原子結(jié)構(gòu)。與Cu和CuO不同,Cu1@n-C3N4-27%和Cu1@n-C3N4-10%的XANES譜線與Cu2O相似(圖2D),這XANES分析與EELS一致,并證實了SAECs中Cu的+1氧化態(tài)。圖2F的EXAFS第一殼層擬合表明Cu1@n-C3N4-27%和Cu1@n-C3N4-10%分別含有1.8和1.7個Cu-N鍵,鍵長為1.91 ?。這種短鍵距與Cu-TPP中觀察到的Cu-N鍵距一致(1.98 ?),而氧化物(CuO和Cu2O)中典型的Cu-O鍵距超過2.00 ?。同時,SAECs沒有觀察到Cu-Cu鍵,證實了Cu在SAECs中的單原子分散。
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圖1-3 電催化性能
本文采用氣體擴散電極(GDE)電解槽,以1 M KOH為流動電解液,測定了CO的電還原性能。在-0.5~-1.0 V內(nèi),Cu1@n-C3N4 -27%的產(chǎn)物主要由C2+碳氫化合物組成,其中以醋酸鹽為主,但在這些負電位下仍含有微量甲烷。醋酸鹽的FE在-0.5 V時達到46%,在更負電位下持續(xù)增加,在-0.8 V時達到最大值48%。在-0.5 V也出現(xiàn)乙烯產(chǎn)物,但FE相對較低,為3%。在負電位大于-0.7 V時,產(chǎn)物中存在乙醇和正丙醇,相應(yīng)的FEC2H5OH和FEC3H7OH分別為~8%和~6%。
值得注意的是,Cu1@n-C3N4-27%的高活性和選擇性可在長時間操作下保持不變。在60 mA/cm2下的穩(wěn)定性測試中,過電位在24小時內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定,F(xiàn)ECH3COO-只有從一開始的48%到最后的44%略有變化。
本文進一步比較了g-C3N4、Cu1@n-C3N4-10%與Cu1@n-C3N4-27%的CO還原效果。其中,g-C3N4沒有得到大量CO還原產(chǎn)物,只得到H2。選擇性也與Cu負載量密切相關(guān)。例如,三種催化劑的FECH3COO-在-0.8 V下分別為0、14和48%,對應(yīng)于JCH3COO-分別為0、7.1和32.9 mA/cm2。電流密度和FE的一致趨勢為Cu1@n-C3N4-27%>Cu1@n-C3N4-10%>C3N4,這表明原子分散的Cu不僅是CO活化的活性位點,而且是C-C耦合的起源,并限制了隨后的反應(yīng)途徑,從而產(chǎn)生特定的C2產(chǎn)物。
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圖1-4 活性位點和動力學(xué)研究
本文通過漫反射紅外傅立葉變換光譜(DRIFTS)和CO溶出伏安分析證實了單原子Cu作為活性位點。在室溫下Cu1@n-C3N4-27%和Cu1@n-C3N4-10%在CO預(yù)吸附的DRIFTS光譜中,在2098 cm-1處出現(xiàn)了一個峰,而g-C3N4則沒有(圖4A)。這一特征峰與線性吸附的*CO有關(guān)。與DRIFTS觀測結(jié)果一致,在0.1 M KOH的室溫條件下記錄的CO溶出伏安圖也表現(xiàn)出類似結(jié)果(圖4B)。值得注意的是,不管是先前研究,還是在C3N4負載的Cu納米顆粒的對照實驗中,均沒有觀察到這些現(xiàn)象。因此,原子分散的Cu位點在SAECs中被認為具有不同于其金屬對應(yīng)物的吸附特性,從而產(chǎn)生不同的CO還原催化機制。
原位XAS研究也揭示了Cu SAECs的穩(wěn)定性,在反應(yīng)條件下XANES和EXAFS光譜幾乎沒有變化(圖4C、D)。研究發(fā)現(xiàn),在CO還原反應(yīng)條件下,Cu1@n-C3N4中Cu的配位數(shù)從1.7~1.8增加到2.7~2.8。這種差異可歸因于CO的吸附,因為Cu1@n-C3N4電催化劑中涉及的Cu-N(1.91 ?)和Cu-C(1.78 ?對于Cu-*CO)鍵合在EXAFS中幾乎不可見。由于強烈的Cu-*CO結(jié)合,在反應(yīng)過程中,*CO在單原子Cu位點上的覆蓋率預(yù)計會很高(接近單層)。這些吸附物引起的配位數(shù)的變化也在之前的原位XAS研究中過渡金屬(如Pt和Pd)與CO的強結(jié)合被觀察到。
鑒于單原子Cu是活性位點,作者進一步找出這些位點上CO還原的速率決定步驟(RDS)。為此,用JCH3COO-對CO的反應(yīng)級數(shù)和Tafel斜率進行了動力學(xué)分析。在前一種情況下,在-0.6 V的不同CO分壓(Pco)下測量CO的電還原。在總電流密度保持一致的情況下,JH2從Pco=0時的11.5 mA/cm2下降到Pco=1 atm時的4.6 mA/cm2,對應(yīng)于CO還原電流密度從0增加到10.1 mA/cm2(圖4D)。產(chǎn)物分布也有類似的趨勢,即FEH2隨著Pco的減少而減少,F(xiàn)EC2隨著Pco的增加而增加(圖4E)。
作者進一步分析了CO還原成醋酸鹽的反應(yīng)級數(shù)(n),這是C2的主要產(chǎn)物。n在不同的Pco值下表現(xiàn)出不同的值(圖4F)。在低Pco區(qū)域(0~0.15 atm),相對于CO,醋酸鹽的生成速率幾乎是一級的。當(dāng)Pco>0.3 atm時,反應(yīng)似乎接近飽和,并且醋酸鹽的生成速率對CO濃度的依賴性較弱,其中n降至0.15。在這兩個極端之間顯然是一個過渡區(qū),中間n為0.49。
從Tafel圖中得到的JCH3COO-的斜率(η)在Pco=1和0.15 atm時分別為-123和-406 mV/dec,與反應(yīng)級數(shù)的觀測結(jié)果一致(圖4G)。將這些動力學(xué)參數(shù)與C2+產(chǎn)物生成的不同RDS的預(yù)期動力學(xué)參數(shù)進行比較,發(fā)現(xiàn)高Pco情況下反應(yīng)級數(shù)幾乎為零、以及醋酸鹽生成的Tafel斜率為-123 mV/dec,表明:反應(yīng)速率受*CO加氫成*CHO(或*COH)的限制。
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在低Pco條件下,CO向C2+還原的RDS中,一階曲線和-406 mV/dec的Tafel斜率是前所未有的,這表明與廣泛研究的金屬Cu電催化劑相比,Cu SAECs上的反應(yīng)途徑是有所不同。在此,將其歸因于單原子Cu位點上的E-R機制:
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這種RDS是非法拉第過程,并且對電極電位的依賴性較弱,從而產(chǎn)生較負的Tafel斜率。與高Pco下的論點類似,在反應(yīng)條件下,*CO及其氫化衍生物(包括*CHO)在單原子Cu位點上的覆蓋率可能很高,即使在相對較低的Pco下,也可以認為這與CO的氣相濃度無關(guān)。因此,由于CO(g)的參與,該RDS對CO是一級反應(yīng)。
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圖1-5 計算模擬
以Cu為活性位點,預(yù)測Cu1@n-C3N4上CO的電還原從CO吸附和質(zhì)子化開始形成*CHO。隨后,吸附在Cu上的*CHO與另一個氣相CO分子(或溶解在電解質(zhì)中)通過E-R機制發(fā)生C-C偶聯(lián),形成*CO-CHO。C2中間體進一步氫化,依次生成*CO-CHOH、*CHCO和*CH2CO。最終,*CH2CO可以與水分子反應(yīng)生成醋酸或與OH反應(yīng)生成醋酸鹽。
*CHO-CO(g)耦合步驟的動力學(xué)勢壘為0.80 eV,與Cu表面上通過L-H機制的C-C耦合相當(dāng)。該值也略低于以水為氫源時的(0.83 eV)在單原子Cu位點上*CO加氫成*CHO。上述E-R機制被認為比可能的L-H型C-C耦合在Cu1@n-C3N4催化劑上更有利。
CO electroreduction on single-atom copper,Science Advances,2023.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade3557
2
JACS:單原子Cu催化劑,電還原CO2制取乙醇
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利用可再生電力驅(qū)動電催化CO2還原反應(yīng)(CO2RR)是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)最有前途的策略之一。多碳化合物(C2+)具有廣泛的應(yīng)用,例如,乙醇是一種含高附加價值的化學(xué)品和燃料。據(jù)報道,許多Cu基催化劑對CO2RR形成C2+產(chǎn)物的電催化過程是有效的,但它們通常對乙醇的選擇性和電流密度有限。
華東師范大學(xué)吳海虹教授、華東師范大學(xué)/中國科學(xué)院化學(xué)研究所韓布興院士等人提出了一種二氧化硅(SiO2)介導(dǎo)的氫鍵有機骨架(HOF)模板法,用于在薄壁N摻雜碳納米管(TWN)上制備超高密度單原子Cu催化劑(SACs)。用該方法制備的催化劑中Cu的含量可達13.35 wt%。
結(jié)果表明,催化劑對CO2RR制取乙醇表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,乙醇的法拉第效率(FE)隨著Cu-N3位點密度的增加而提高。在H型電解槽中,使用Cu含量為13.35 wt%的單原子催化劑,乙醇的FE可達到~81.9%,偏電流密度為35.6 mA cm-2,這是迄今為止CO2RR制取乙醇的最佳結(jié)果。
實驗和DFT研究表明,相鄰的Cu-N3活性位點(1個Cu原子與3個N配位)是反應(yīng)的活性位點,它們的高密度對于獲得高的乙醇FE至關(guān)重要,這是由于相鄰的、距離較近的Cu-N3位點可以協(xié)同促進C-C耦合。
相關(guān)工作以《Adjacent Copper Single Atoms Promote C–C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction for the Efficient Conversion of Ethanol》為題在《Journal of the American Chemical Society》上發(fā)表論文。
圖文導(dǎo)讀
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圖2-1 催化劑的制備與表征
如圖1a所示,作者合成了主要具有高金屬負載量和大外表面積的薄壁納米管形Cu-N-C SACs。以含N的三聚氰胺(MA)和含O的三聚酸(TMA)作為雙功能構(gòu)建模塊和配體(摩爾比為1:1),通過一步氫鍵驅(qū)動自組裝制備了所需的二維HOF。隨后,通過平面間π?π堆疊,二維(2D)組件長成一維(1D)微米管(HOF-T)。
MA與TMA的相互作用賦予HOF豐富的雜環(huán)結(jié)構(gòu),為客體金屬離子提供了豐富的多位點N/O配體。因此,這使得Cu離子很容易被吸附到HOF-T中,通過N、O配體結(jié)合的方法制備Cu-HOF-T前驅(qū)體,其中Cu源與MA或TMA的摩爾比為0.5。
然后使用SiO2作為“盔甲”,完全覆蓋Cu0.5-HOF-T表面,并使用濕化學(xué)方法形成Cu0.5-HOF-T@SiO2。得到的Cu0.5-HOF-T@SiO2在600℃、Ar中加熱,然后在12% HF中除去SiO2外殼。最后,獲得了Cu負載量為13.35 wt%的薄壁納米管型Cu-N-C SACs(TWN-Cu13.35-600-SACs)。
從圖1b圖像中可以看出,TWN-Cu13.35-600-SACs具有薄壁納米管,橫向尺寸可達幾微米。圖1c的TEM圖像顯示了相對較薄的透明納米管。此外,HRTEM圖像顯示,納米管的壁厚約為4 nm,主要由高缺陷碳組成。利用HAADF-STEM直接成像了超高密度Cu SAs在TWN-Cu13.35-600-SACs上的原子級分散,顯示出孤立原子密集分布的特征(圖1d)。如圖1e所示,在HAADF-STEM圖像中,沿著藍線對孤立原子進行線掃描獲得的強度分布圖顯示出單個峰,其半峰寬處為~ 1.35 ?,原子間距離為<2.32 ?,表明形成了超高密度的Cu SAs。
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圖2-2 通過XANES, EXAFS和WT-EXAFS進行結(jié)構(gòu)表征
為了更好地了解Cu在TWN-Cu13.35-600-SACs中的化學(xué)狀態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境,進行了XANES和EXAFS分析。如圖2a所示,TWN-Cu13.35-600-SACs的Cu的K邊XANES光譜位于Cu2O和CuO之間,說明Cu的氧化態(tài)介于Cu(I)和Cu(II)之間。TWN-Cu13.35-600-SACs的EXAFS光譜(圖2b)在~1.59 ?處有一個優(yōu)勢峰,這主要歸因于Cu-N配位。此外,與Cu箔相比,在TWN-Cu13.35-600-SACs中沒有觀察到Cu-Cu鍵產(chǎn)生的散射峰,表明N摻雜碳中的Cu是單分散的,這與HAADF-STEM和XRD結(jié)果一致。另外,Cu-N鍵的平均配位數(shù)為2.9,表明在第一殼層Cu中心與約3個N原子配位。
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圖2-3 電催化CO2RR性能
選擇標(biāo)準(zhǔn)H型電解槽來評價催化劑的電催化CO2RR性能。采用0.5 M CsHCO3溶液作為電解質(zhì),是因為Cs離子可以屏蔽水合質(zhì)子的運動,從而抑制析氫反應(yīng)(HER),促進CO2還原反應(yīng)。
圖3b顯示了在TWN-Cu13.35-600-SACs上,F(xiàn)Es和CO2RR產(chǎn)物隨施加電位從-0.7到-1.5 V變化的分布。在施加電位下檢測乙醇產(chǎn)物。低過電位和高乙醇FE使乙醇的生產(chǎn)效率得到增高。與目前報道的Cu基催化劑相比,本研究的TWN-Cu13.35-600-SACs在電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙醇方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
本文進一步考察了催化劑的穩(wěn)定性。在-1.1 V 下,如圖3e所示,TWN-Cu13.35-600-SACs的電流密度相對穩(wěn)定,為35.6 mA cm-2,乙醇濃度>~81.9%,持續(xù)穩(wěn)定運行時間>25 h,證明了催化劑在電催化CO2-to-乙醇轉(zhuǎn)化方面具有顯著增強的穩(wěn)定性。
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圖2-4 Cu-Nx(1<x<5)位點與CO2RR選擇性的關(guān)系
Cu與N原子之間的配位數(shù)可以改變催化劑上Cu-Nx SAs的配位環(huán)境和局部電子結(jié)構(gòu),從而調(diào)節(jié)催化劑的性能。已知在合成過程中配位數(shù)受熱解溫度的影響。因此,采用與圖1a相似的方法,采用不同熱解溫度(500、600、700℃),在不同N配位數(shù)的TWN上負載了超高密度Cu SACs。最終催化劑分別更名為Cu/TWN-500、Cu/TWN-600和Cu/TWN-700。
圖4a中的XANES譜圖顯示,Cu/TWN-500、Cu/TWN-600和Cu/TWN-700的譜線強度位于銅箔和CuO之間,進一步揭示了其典型的電子結(jié)構(gòu)(Cuδ+,0<δ<2)。此外,催化劑的近邊結(jié)構(gòu)譜圖也有所區(qū)別,表明Cu中心的電荷密度不同。
如圖4b所示,采用EXAFS來闡明Cu-Nx SA的詳細結(jié)構(gòu)信息。Cu/TWN-500、Cu/TWN-600和Cu/TWN-700的EXAFS譜顯示Cu-N的優(yōu)勢峰為1.48 ?。但在1.48 ?處的峰強度不同,說明這三個樣品的Cu-N配位環(huán)境不同。此外,所有樣品都沒有出現(xiàn)Cu-Cu特征峰,這表明孤立的Cu原子分散在碳載體上。Cu/TWN-500、Cu/TWN-600和Cu/ TWN-700的局部結(jié)構(gòu)分別涉及一個銅原子與4.1、2.9和2.3個氮原子配位的配位環(huán)境(圖4c)。
Cu-Nx的配位環(huán)境引起了局部電子結(jié)構(gòu)的變化,從而引起了中間體結(jié)合能在CO2RR過程中的變化。如圖4d所示Cu/TWN-500(配位數(shù)=4.1)、Cu/TWN-600(配位數(shù)=2.9)、Cu/TWN-700(配位數(shù)=2.3)對乙醇的FE分別為~48.29%、~81.9%和~ 57.49%。這可能與CO2RR過程中,與3個N原子平均配位的Cu SA是最有效的活性位點,并為中間體提供了最優(yōu)的結(jié)合能來促進C-C耦合有關(guān)。
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圖2-5 不同Cu負載量下的CO2RR測試
此外,作者還研究了TWN-Cux-600-SACs,其中x=5.14、6.26、8.50、13.35,和TWN-Cu14.18-600-Cs的催化性能。圖5a顯示了TWN-Cux-600-SACs和TWN-Cu14.18-600-Cs的LSV曲線。與其他催化劑相比,TWNCu13.35-600-SACs具有更大的電流密度和更高的正起始電位。
圖5b描繪了TWN-Cux-600-SACs和TWNCu14.18-600-Cs在不同極化過電位(η)下產(chǎn)乙醇電流密度的Tafel圖。TWN-Cu13.35-600-SACs和TWNCu8.50-600-SACs在低電位區(qū)表現(xiàn)出幾乎相同的Tafel斜率,表明這兩種催化劑在該電壓范圍內(nèi)具有相似的電催化動力學(xué),即使在不同的電流密度下也是如此。然而,TWN-Cu5.14-600-SACs和TWN-Cu14.18-600-Cs催化劑的Tafel斜率顯著增加,表明CO2RR動力學(xué)明顯減慢,可能受到不同催化機制的影響。
如圖5c所示,當(dāng)Cu負載從5.14、6.26和8.50 wt%增加到13.35 wt%時,在最佳電位(- 1.1 V)下,乙醇FE分別從38.43、58.96和72.58快速增加到81.90%,表明Cu-N3 SAs密度的增加促進了電化學(xué)CO2還原過程中C-C的耦合。然而,當(dāng)Cu負載增加到14.18 wt%以上時,乙醇FE降低到67.48%,根據(jù)對TWN-Cu14.18-600-Cs的STEM-HADDF和XRD分析,這與TWN-Cu14.18-600-Cs中Cu NPs的形成相對應(yīng)。
如圖5d所示,當(dāng)Cu負載從5.14 wt%增加到13.35 wt%時,TWN-Cux-600-SACs對乙醇的TOF和偏電流密度增加。然而,當(dāng)Cu負載增加到14.18 wt%時,TOF和偏電流密度都有所下降。因此,TWN-Cux-600-SACs(x=5.14、6.26、8.50、13.35)和TWN-Cu14.18-600-Cs樣品的FE和CO2RR產(chǎn)物分布隨著Cu負載量的增加而顯著變化。
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圖2-6 原位電化學(xué)拉曼光譜測量與DFT計算
DFT計算結(jié)果如圖6b所示。雙Cu-N3位點上參與CO2還原途徑的所有反應(yīng)中間體的相關(guān)優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖6c所示。CO2還原的限速步驟是通過單電子轉(zhuǎn)移途徑激活CO2分子形成COOH*中間體,這是CO2還原的第一步。雙Cu-N3位點上COOH*生成的ΔG值為1.232 eV,高于單Cu-N3位點(0.361 eV),說明單Cu-N3位點上CO2的還原更容易。隨后,COOH*中間體與質(zhì)子反應(yīng),釋放出H2O分子,還原為CO*。在雙Cu-N3和單Cu-N3位點上生成CO*的ΔG值分別為-0.545和-0.178 eV。
根據(jù)生成CH3CH2OH的最低能量途徑,兩種CO*的第一次C-C偶聯(lián)對于形成C2+產(chǎn)物至關(guān)重要,在單個Cu-N3位點上顯示出極高的ΔG值,為1.704 eV。然而,在雙Cu-N3位點上,ΔG值為- 0.976 eV(放熱),表明雙Cu-N3位點催化CO*的C-C耦合相當(dāng)容易。這一差異表明活性位點的密度,即活性位點之間的距離,對CO2還原產(chǎn)物的選擇性至關(guān)重要。
Adjacent Copper Single Atoms Promote C–C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction for the Efficient Conversion of Ethanol,Journal of the American Chemical Society,2023.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c04612

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