第一作者:Reginaldo J. Gomes 通讯作者:Chibueze V. Amanchukwu通讯单位:芝加哥大学论文速览 电化学二氧化碳还原(CO2R)可以提供一种生产燃料和化学品的可持续路线;然而,CO2R的选择性经常受到竞争性析氢反应(HER)的损害,即使对于低浓度的水也是如此。本文研究了在非水环境中,通过调控水分子的氢键作用,来控制其在电化学转化中的活性,特别是针对二氧化碳还原(CO2R)和析氢反应(HER)。研究团队发现,通过在一系列非质子溶剂中调控水的溶解和动态,可以调节HER的活性和CO2R的选择性。研究表明,将水限制在强氢键网络中,可将其起始电位延长近1 V。此外,使用金催化剂,在高达3 M的水浓度下,实现了近100%的CO法拉第效率。在温和酸性条件下,使用Zn基催化剂,可在长期电解过程中保持接近100%的法拉第效率,同时避免碳酸盐损失。本工作提供了控制水的反应性的见解,并揭示了指导电解液设计的重要电化学转化的描述符。图文导读 图1:有机介质中的水形态。图2:水的聚集和动力学。图3:水溶剂化对HER的影响。图4:加水对CO2R的影响。图5:水溶剂化对动力学的影响。图6:酸性条件下的电化学性能。总结展望 本研究通过调控非质子溶剂中水分子的氢键作用,实现了对HER和CO2R活性及选择性的调控。研究结果表明,通过选择具有高供体数的溶剂,可以形成强水HB网络,从而增加水分子间的HB寿命,并降低HER的起始电位。此外,通过优化溶剂选择,可在酸性非水环境中实现高达100%的CO选择性,同时避免碳酸盐的损失。这些发现不仅为设计新型电解液提供了理论基础,也为实现高效、选择性的电化学转化反应提供了新策略。未来的研究可以进一步探索不同溶剂对水分子行为的调控机制,以及这些机制在其他电化学过程中的应用潜力。文献信息 标题:Modulating water hydrogen bonding within a non-aqueous environment controls its reactivity in electrochemical transformations期刊:Nature CatalysisDOI:10.1038/s41929-024-01162-z