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中科大/悉尼大学Nature子刊:稳定配位聚合物中的铜位点以实现高效的电化学C-C偶联

利用可再生电力还原CO2有望实现净零碳排放,据报道单位点催化剂可催化C-C偶联,但是在工作条件下容易原位转化为金属团聚。基于此,中国科技大学曾杰教授,耿志刚副教授,澳大利亚悉尼大学李逢旺博士(共同通讯作者)等人报道了一种稳定的具有周期性邻位铜的单位点铜配位聚合物(Cu(OH)BTA),其在CO2RR过程中是稳定的,可以促进C-C偶联,并对C2H4具有较高的选择性。


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作者通过DFT计算在分子水平上研究了反应机理。*CO+H2O*→*CHO+OH*被认为是沿着CO2-to-C2+路径的速率决定步骤(RDS)。该步骤在Cu(OH)BTA上的能垒为0.87 eV,比在Cu (111)上的能垒低0.27 eV,与实验结果一致。在*CO加氢后,*CHO倾向于与相邻Cu位点上的另一个*CO偶联形成*OCCHO,C-C偶联的能垒低至0.82 eV。
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本文进一步分析了关键中间体*CO、*CHO和*OCCHO在吸附过程中相邻铜位点的距离,其取值范围为5.68-5.83 Å,非常接近原始的Cu(OH)BTA结构中相邻铜位点的距离(5.70 Å)。这种接近的距离将结构重建所需的构象能量降到最低,因此对分子支架的损害很小。电荷密度差分图表明,电子一旦被Cu接受,就会转移到吸附质而不会还原Cu位点,从而避免Cu在CO2RR过程中从其配位环境中浸出。
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Stabilizing copper sites in coordination polymers toward efficient electrochemical C-C couplingNat. Commun.2023, DOI: 10.1038/s41467-023-35993-4.
https://www.nature.com/articles/s41467-023-35993-4.




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