复旦Small: 供体-受体结构立大功！助力铜卟啉高效电催化CO2还原CH4
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电催化CO 2 还原反应(CO 2 RR)是一种绿色环保的降低CO 2 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CO 2 还原反应(CO 2 RR)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CO 2 RR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CuN 4 中心位点提供电子以增强CO 2 RR活性。
以1M KOH为电解质，在流动池中进行了电化学CO 2 RR实验。CuTAPP催化剂在无CO 2 存在时的起始电位比有CO 2 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H 2 、CO、CH 4 和C 2 H 4 ，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CH 4 (FE CH4 ≈54.8%，-1.63 V RHE )，并且CuTAPP具有最低的H 2 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CO 2 转化为CH 4 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CO 2 转化为CH 4 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CuN 4 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CO 2 转化为CH 4 。
Promoting Electrocatalytic CO 2 Reduction to CH 4 by Copper Porphyrin with Donor–Acceptor Structures. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205730
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