复旦郑耿锋Small：供体-受体结构立大功！助力铜卟啉高效电催化CO2还原CH4

电催化CO₂还原反应(CO₂RR)是一种绿色环保的降低CO₂排放的有效方法。分子催化剂以其精确的催化位点和可调配体等优点，在电化学CO₂还原反应(CO₂RR)中受到越来越多的关注。然而，深度还原产物的活性不足和选择性低限制了分子催化剂在CO₂RR中的应用。

近日，复旦大学郑耿锋课题组报道了一种供体-受体修饰的铜卟啉(CuTAPP)，其中连接的氨基向CuN₄中心位点提供电子以增强CO₂RR活性。

以1M KOH为电解质，在流动池中进行了电化学CO₂RR实验。CuTAPP催化剂在无CO₂存在时的起始电位比有CO₂存在时的起始电位更负，在-1.83 V_RHE下的电流密度达到720 mA cm^-2；CuTAPP的还原产物包括H₂、CO、CH₄和C₂H₄，主要产物为低电位下的CO (FE_CO≈47.7%，-0.63 V_RHE)和较高电位下的CH₄(FE_CH4≈54.8%，-1.63 V_RHE)，并且CuTAPP具有最低的H₂选择性(FE_H2<30%)。CuTAPP还具有优异的稳定性，其可在500 mA cm^-2电流密度下连续运行10小时而没有发生明显的电压和结构变化。

利用密度泛函理论(DFT)计算研究了CuTAPP的催化机理。在CuTAPP中引入氨基导致最高占用分子轨道-最低未占用分子轨道(HOMO-LUMO)间隙缩小，这有利于加快电化学CO₂转化为CH₄的电子转移。

此外，CuTAPP吸附氢的能力减弱，可以更有好地产生表面*H，有助于CO₂转化为CH₄的多步质子偶合电子转移反应(PCET)的发生。*CHO在CuTAPP分子的Cu位点上的吸附导致外围氨基上的电子密度减少，表明从氨基到CuN₄位点(即D-A结构)的电子转移，然后到吸附的* CHO中间体。

综上所述，密度泛函理论(DFT)计算清楚地表明，基于氨基的D-A结构的引入使得在CuTAPP上的表面电子构型的调制成为可能，从而促进了电子转移的形成并促进了CO₂转化为CH₄。

Promoting Electrocatalytic CO₂ Reduction to CH₄ by Copper Porphyrin with Donor–Acceptor Structures. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205730

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