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芝加哥最新Nat. Catal.:非水環境中調節水-氫鍵!

芝加哥最新Nat. Catal.:非水環境中調節水-氫鍵!
第一作者:Reginaldo J. Gomes
通訊作者:Chibueze V. Amanchukwu
通訊單位:芝加哥大學
論文速覽
電化學二氧化碳還原(CO2R)可以提供一種生產燃料和化學品的可持續路線;然而,CO2R的選擇性經常受到競爭性析氫反應(HER)的損害,即使對于低濃度的水也是如此。
本文研究了在非水環境中,通過調控水分子的氫鍵作用,來控制其在電化學轉化中的活性,特別是針對二氧化碳還原(CO2R)和析氫反應(HER)。研究團隊發現,通過在一系列非質子溶劑中調控水的溶解和動態,可以調節HER的活性和CO2R的選擇性。研究表明,將水限制在強氫鍵網絡中,可將其起始電位延長近1 V。
此外,使用金催化劑,在高達3 M的水濃度下,實現了近100%的CO法拉第效率。在溫和酸性條件下,使用Zn基催化劑,可在長期電解過程中保持接近100%的法拉第效率,同時避免碳酸鹽損失。本工作提供了控制水的反應性的見解,并揭示了指導電解液設計的重要電化學轉化的描述符。
圖文導讀
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圖1:有機介質中的水形態。
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圖2:水的聚集和動力學。
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圖3:水溶劑化對HER的影響。
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圖4:加水對CO2R的影響。
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圖5:水溶劑化對動力學的影響。
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圖6:酸性條件下的電化學性能。
總結展望
本研究通過調控非質子溶劑中水分子的氫鍵作用,實現了對HER和CO2R活性及選擇性的調控。研究結果表明,通過選擇具有高供體數的溶劑,可以形成強水HB網絡,從而增加水分子間的HB壽命,并降低HER的起始電位。
此外,通過優化溶劑選擇,可在酸性非水環境中實現高達100%的CO選擇性,同時避免碳酸鹽的損失。這些發現不僅為設計新型電解液提供了理論基礎,也為實現高效、選擇性的電化學轉化反應提供了新策略。未來的研究可以進一步探索不同溶劑對水分子行為的調控機制,以及這些機制在其他電化學過程中的應用潛力。
文獻信息
標題:Modulating water hydrogen bonding within a non-aqueous environment controls its reactivity in electrochemical transformations
期刊:Nature Catalysis
DOI:10.1038/s41929-024-01162-z

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