Transition metal-nitrogen sites for electrochemical carbon dioxide reduction reaction

doi:10.1016/S1872-2067(18)63161-4

Abstract

Abstract:

Electrochemical CO₂ reduction reaction (CO₂RR) powered by renewable electricity has emerged as the most promising technique for CO₂ conversion, making it possible to realize a carbon-neutral cycle. Highly efficient, robust, and cost-effective catalysts are highly demanded for the near-future practical applications of CO₂RR. Previous studies on atomically dispersed metal-nitrogen (M-N_x) sites constituted of earth abundant elements with maximum atom-utilization efficiency have demonstrated their performance towards CO₂RR. This review summarizes recent advances on a variety of M-N_x sites-containing transition metal-centered macrocyclic complexes, metal organic frameworks, and M-N_x-doped carbon materials for efficient CO₂RR, including both experimental and theoretical studies. The roles of metal centers, coordinated ligands, and conductive supports on the intrinsic activity and selectivity, together with the importance of reaction conditions for improved performance are discussed. The mechanisms of CO₂RR over these M-N_x-containing materials are presented to provide useful guidance for the rational design of efficient catalysts towards CO₂RR.

Key words: Electrochemical carbon dioxide reduction reaction, Metal-nitrogen sites, Metal-nitrogen containing macrocyclic complexes, Metal organic frameworks, Zeolitic imidazolate frameworks, Carbon material doped with metal-nitrogen sites

Chengcheng Yan, Long Lin, Guoxiong Wang, Xinhe Bao. Transition metal-nitrogen sites for electrochemical carbon dioxide reduction reaction[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2019, 40(1): 23-37.

×
share this article

Add to citation manager EndNote|Ris|BibTeX

URL: https://www.cjcatal.com/EN/10.1016/S1872-2067(18)63161-4

https://www.cjcatal.com/EN/Y2019/V40/I1/23

References

[1] M. Mikkelsen, M. Jørgensen, F. C. Krebs, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 43-81.
[2] E. V. Kondratenko, G. Mul, J. Baltrusaitis, G. O. Larrazábal, J. Pé-rez-Ramírez, Energy Environ. Sci., 2013, 6, 3112-3135.
[3] M. Bui, C. S. Adjiman, A. Bardow, E. J. Anthony, A. Boston, S. Brown, P. S. Fennell, S. Fuss, A. Galindo, L. A. Hackett, J. P. Hallett, H. J. Herzog, G. Jackson, J. Kemper, S. Krevor, G. C. Maitland, M. Matuszewski, I. S. Metcalfe, C. Petit, G. Puxty, J. Reimer, D. M. Reiner, E. S. Rubin, S. A. Scott, N. Shah, B. Smit, J. P. M. Trusler, P. Webley, J. Wilcox, N. MacDowell, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 1062-1176.
[4] G. Yang, Z. P. Yu, J. Zhang, Z. X. Liang, Chin. J. Catal., 2018, 39, 914-919
[5] B. Khezri, A. C. Fisher, M. Pumera, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 8230-8246.
[6] L. Zhang, Z. J. Zhao, J. Gong, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 11326-11353.
[7] D. D. Zhu, J. L. Liu, S. Z. Qiao, Adv. Mater., 2016, 28, 3423-3452.
[8] D. Gao, F. Cai, G. Wang, X. Bao, Curr. Opin. Green Sustainable Chem., 2017, 3, 39-44.
[9] Q. Lu, J. Rosen, Y. Zhou, G. S. Hutchings, Y. C. Kimmel, J. G. G. Chen, F. Jiao, Nat. Commun., 2014, 5, 3242-3247.
[10] Y. Chen, C. W. Li, M. W. Kanan, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 19969-19972.
[11] A. S. Varela, N. Ranjbar Sahraie, J. Steinberg, W. Ju, H. S. Oh, P. Strasser, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 10758-10762.
[12] J. Hao, W. Shi, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1157-1166.
[13] Y. Hori, Electrochemical CO₂ Reduction on Metal Electrodes, Springer, New York, 2008.
[14] J. Rosen, G. S. Hutchings, Q. Lu, R. V. Forest, A. Moore, F. Jiao, ACS Catal., 2015, 5, 4586-4591.
[15] D. H. Won, H. Shin, J. Koh, J. Chung, H. S. Lee, H. Kim, S. I. Woo, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 9297-9300.
[16] Z. Yin, D. Gao, S. Yao, B. Zhao, F. Cai, L. Lin, P. Tang, P. Zhai, G. Wang, D. Ma, X. Bao, Nano Energy, 2016, 27, 35-43.
[17] W. L. Zhu, R. Michalsky, O. Metin, H. F. Lv, S. J. Guo, C. J. Wright, X. L. Sun, A. A. Peterson, S. H. Sun, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 16833-16836.
[18] D. Gao, Y. Zhang, Z. Zhou, F. Cai, X. Zhao, W. Huang, Y. Li, J. Zhu, P. Liu, F. Yang, G. Wang, X. Bao, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 5652-5655.
[19] F. Li, D. R. MacFarlane, J. Zhang, Nanoscale, 2018, 10, 6235-6260.
[20] F. Guan, X. M. Zhang, Y. F. Song, Y. J. Zhou, G. X. Wang, X. H. Bao, Chin. J. Catal., 2018, 37, 1484-1492.
[21] W. Zhang, Y. Hu, L. Ma, G. Zhu, Y. Wang, X. Xue, R. Chen, S. Yang, Z. Jin, Adv. Sci., 2018, 5, 1700275.
[22] D. Gao, H. Zhou, J. Wang, S. Miao, F. Yang, G. Wang, J. Wang, X. Bao, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4288-4291.
[23] J. W. Vickers, D. Alfonso, D. R. Kauffman, Energy Technol., 2017, 5, 775-795.
[24] B. H. Zhang, J. T. Zhang, J. Energy Chem., 2017, 26, 1050-1066.
[25] G. F. Manbeck, E. Fujita, J. Porphyrins Phthalocyanines, 2015, 19, 45-64.
[26] C. A. Downes, S. C. Marinescu, ChemSusChem, 2017, 10, 4374-4392.
[27] V. A. Sofia, J. Wen, S. Peter, Adv. Energy Mater., DOI:doi:10.1002/aenm.201703614.
[28] M. Lefèvre, E. Proietti, F. Jaouen, J.-P. Dodelet, Science, 2009, 324, 71-74.
[29] A. Zitolo, V. Goellner, V. Armel, M. T. Sougrati, T. Mineva, L. Stievano, E. Fonda, F. Jaouen, Nat. Mater., 2015, 14, 937-942.
[30] A. A. Gewirth, J. A. Varnell, A. M. DiAscro, Chem. Rev., 2018, 118, 2313-2339.
[31] C. Yan, H. Li, Y. Ye, H. Wu, F. Cai, R. Si, J. Xiao, S. Miao, S. Xie, F. Yang, Y. Li, G. Wang, X. Bao, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 1204-1210.
[32] Y. Ye, F. Cai, H. Li, H. Wu, G. Wang, Y. Li, S. Miao, S. Xie, R. Si, J. Wang, X. Bao, Nano Energy, 2017, 38, 281-289.
[33] X. M. Hu, H. H. Hval, E. T. Bjerglund, K. J. Dalgaard, M. R. Madsen, M. M. Pohl, E. Welter, P. Lamagni, K. B. Buhl, M. Bremholm, M. Beller, S. U. Pedersen, T. Skrydstrup, K. Daasbjerg, ACS Catal., 2018, 8, 6255-6264.
[34] N. Furuya, K. Matsui, J. Electroanal. Chem., 1989, 271, 181-191.
[35] N. Furuya, S. Koide, Electrochim. Acta, 1991, 36, 1309-1313.
[36] Y. Wu, J. Jiang, Z. Weng, M. Wang, D. L. J. Broere, Y. Zhong, G. W. Brudvig, Z. Feng, H. Wang, ACS Cent. Sci., 2017, 3, 847-852.
[37] J. J. Walsh, C. L. Smith, G. Neri, G. F. S. Whitehead, C. M. Robertson, A. J. Cowan, Faraday Discuss., 2015, 183, 147-160.
[38] A. Maurin, M. Robert, Chem. Commun., 2016, 52, 12084-12087.
[39] C. Costentin, S. Drouet, M. Robert, J. M. Saveant, Science, 2012, 338, 90-94.
[40] E. A. Mohamed, Z. N. Zahran, Y. Naruta, Chem. Mater., 2017, 29, 7140-7150.
[41] N. Morlanés, K. Takanabe, V. Rodionov, ACS Catal., 2016, 6, 3092-3095.
[42] X. Zhang, Z. Wu, X. Zhang, L. Li, Y. Li, H. Xu, X. Li, X. Yu, Z. Zhang, Y. Liang, H. Wang, Nat. Commun., 2017, 8, 14675-14682.
[43] N. Han, Y. Wang, L. Ma, J. Wen, J. Li, H. Zheng, K. Nie, X. Wang, F. Zhao, Y. Li, J. Fan, J. Zhong, T. Wu, D. J. Miller, J. Lu, S. T. Lee, Y. Li, Chem, 2017, 3, 652-664.
[44] C. Costentin, M. Robert, J.-M. Saveant, A. Tatin, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2015, 112, 6882-6886.
[45] I. M. B. Nielsen, K. Leung, J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 10166-10173.
[46] K. Leung, I. M. B. Nielsen, N. Sai, C. Medforth, J. A. Shelnutt, J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 10174-10184.
[47] Z. Weng, Y. Wu, M. Wang, J. Jiang, K. Yang, S. Huo, X. F. Wang, Q. Ma, G. W. Brudvig, V. S. Batista, Y. Liang, Z. Feng, H. Wang, Nat. Com-mun., 2018, 9, 415-423.
[48] X. M. Hu, M. H. Ronne, S. U. Pedersen, T. Skrydstrup, K. Daas-bjerg, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6468-6472.
[49] A. R. Guadalupe, D. A. Usifer, K. T. Potts, H. C. Hurrell, A. E. Mogstad, H. D. Abruna, J. Am. Chem. Soc., 1988, 110, 3462-3466.
[50] B. L. Chen, S. C. Xiang, G. D. Qian, Acc. Chem. Res., 2010, 43, 1115-1124.
[51] J. Lee, O. K. Farha, J. Roberts, K. A. Scheidt, S. T. Nguyen, J. T. Hupp, Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1450-1459.
[52] H. Zhang, J. Nai, L. Yu, X. W. Lou, Joule, 2017, 1, 77-107.
[53] C. A. Downes, S. C. Marinescu, ChemSusChem, 2017, 10, 4374-4392.
[54] I. Hod, M. D. Sampson, P. Deria, C. P. Kubiak, O. K. Farha, J. T. Hupp, ACS Catal., 2015, 5, 6302-6309.
[55] J. Albo, D. Vallejo, G. Beobide, O. Castillo, P. Castaño, A. Irabien, ChemSusChem, 2017, 10, 1100-1109.
[56] N. Kornienko, Y. Zhao, C. S. Kley, C. Zhu, D. Kim, S. Lin, C. J. Chang, O. M. Yaghi, P. Yang, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 14129-14135.
[57] L. Ye, J. Liu, Y. Gao, C. Gong, M. Addicoat, T. Heine, C. Wöll, L. Sun, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15320-15326.
[58] Y. Wang, P. Hou, Z. Wang, P. Kang, ChemPhysChem, 2017, 18, 3142-3147.
[59] X. Jiang, H. Li, J. Xiao, D. Gao, R. Si, F. Yang, Y. Li, G. Wang, X. Bao, Nano Energy, 2018, 52, 345-350.
[60] M. Sadakiyo, T. Yamada, H. Kitagawa, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 9906-9907.
[61] Z. Zhou, N. N. Chen, Q. Luo, L. Y. Jia, J. Wang, J. Q. Tao, J. Mol. Struct., 2017, 1136, 107-111.
[62] Y. J. Li, S. H. Zheng, X. Liu, P. Li, L. Sun, R. X. Yang, S. Wang, Z. S. Wu, X. H. Bao, W. Q. Deng, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7992-7996.
[63] R. Hinogami, S. Yotsuhashi, M. Deguchi, Y. Zenitani, H. Hashiba, Y. Yamada, ECS Electrochem. Lett., 2012, 1, H17-H19.
[64] R. Senthil Kumar, S. Senthil Kumar, M. Anbu Kulandainathan, Electrochem. Commun., 2012, 25, 70-73.
[65] S. Lin, C. S. Diercks, Y. B. Zhang, N. Kornienko, E. M. Nichols, Y. Zhao, A. R. Paris, D. Kim, P. Yang, O. M. Yaghi, C. J. Chang, Science, 2015, 349, 1208-1213.
[66] C. Z. Zhu, H. Li, S. F. Fu, D. Du, Y. H. Lin, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 517-531.
[67] M. X. Shen, C. T. Wei, K. L. Ai, L. H. Lu, Nano Res., 2017, 10, 1449-1470.
[68] J. Li, F. Jaouen, Curr. Opin. Electrochem., 2018, 9, 198-206.
[69] G. Wu, A. Santandreu, W. Kellogg, S. Gupta, O. Ogoke, H. G. Zhang, H. L. Wang, L. M. Dai, Nano Energy, 2016, 29, 83-110.
[70] P. Yin, T. Yao, Y. Wu, L. Zheng, Y. Lin, W. Liu, H. Ju, J. Zhu, X. Hong, Z. Deng, G. Zhou, S. Wei, Y. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10800-10805.
[71] Y. Cheng, S. Zhao, B. Johannessen, J. P. Veder, M. Saunders, M. R. Rowles, M. Cheng, C. Liu, M. F. Chisholm, R. De Marco, H. M. Cheng, S.-Z. Yang, S. P. Jiang, Adv. Mater., 2018, 30, 1706287.
[72] Y. Chen, S. Ji, Y. Wang, J. Dong, W. Chen, Z. Li, R. Shen, L. Zheng, Z. Zhuang, D. Wang, Y. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6937-6941.
[73] X. Wang, Z. Chen, X. Zhao, T. Yao, W. Chen, R. You, C. Zhao, G. Wu, J. Wang, W. Huang, J. Yang, X. Hong, S. Wei, Y. Wu, Y. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1944-1948.
[74] T. N. Huan, N. Ranjbar, G. Rousse, M. Sougrati, A. Zitolo, V. Mougel, F. Jaouen, M. Fontecave, ACS Catal., 2017, 7, 1520-1525.
[75] C. Yan, Y. Ye, L. Lin, H. Wu, Q. Jiang, G. Wang, X. Bao, Catal. Today, 2018, DOI:https://doi.org/10.1016/j.cattod.2018.03.062.
[76] Y. Pan, R. Lin, Y. Chen, S. Liu, W. Zhu, X. Cao, W. Chen, K. Wu, W. C. Cheong, Y. Wang, L. Zheng, J. Luo, Y. Lin, Y. Liu, C. Liu, J. Li, Q. Lu, X. Chen, D. Wang, Q. Peng, C. Chen, Y. Li, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 4218-4221.
[77] H. B. Yang, S. F. Hung, S. Liu, K. Yuan, S. Miao, L. Zhang, X. Huang, H. Y. Wang, W. Cai, R. Chen, J. Gao, X. Yang, W. Chen, Y. Huang, H. M. Chen, C. M. Li, T. Zhang, B. Liu, Nature Energy, 2018, 3, 140-147.
[78] C. Zhao, X. Dai, T. Yao, W. Chen, X. Wang, J. Wang, J. Yang, S. Wei, Y. Wu, Y. Li, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8078-8081.
[79] K. Jiang, S. Siahrostami, T. Zheng, Y. Hu, S. Hwang, E. Stavitski, Y. Peng, J. Dynes, M. Gangisetty, D. Su, K. Attenkofer, H. Wang, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 893-903.
[80] X. Li, W. Bi, M. Chen, Y. Sun, H. Ju, W. Yan, J. Zhu, X. Wu, W. Chu, C. Wu, Y. Xie, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 14889-14892.
[81] Z. Chen, K. Mou, S. Yao, L. Liu, ChemSusChem, 2018, 11, 2944-2952.
[82] Y. Zhao, J. Liang, C. Wang, J. Ma, G. G. Wallace, Adv. Energy Mater., 2018, 8, 1702524.
[83] M. Wu, K. Wang, M. Yi, Y. Tong, Y. Wang, S. Song, ACS Catal., 2017, 7, 6082-6088.
[84] W. Wei, H. Liang, K. Parvez, X. Zhuang, X. Feng, K. Müllen, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 1570-1574.
[85] W. He, C. Jiang, J. Wang, L. Lu, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 9503-9507.
[86] Y. Guo, H. Yang, X. Zhou, K. Liu, C. Zhang, Z. Zhou, C. Wang, W. Lin, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 24867-24873.
[87] W. Ju, A. Bagger, G. P. Hao, A. Sofia Varela, I. Sinev, V. Bon, B. Rol-dan Cuenya, S. Kaskel, J. Rossmeisl, P. Strasser, Nat. Commun., 2017, 8, 944-951.
[88] F. Pan, W. Deng, C. Justiniano, Y. Li, Appl. Catal. B, 2018, 226, 463-472.
[89] N. Sonoyama, M. Kirii, T. Sakata, Electrochem. Commun., 1999, 1, 213-216.
[90] J. Shen, R. Kortlever, R. Kas, Y. Y. Birdja, O. Diaz-Morales, Y. Kwon, I. Ledezma-Yanez, K. J. P. Schouten, G. Mul, M. T. M. Koper, Nat. Commun., 2015, 6, 8177-8182.
[91] A. S. Varela, M. Kroschel, N. D. Leonard, W. Ju, J. Steinberg, A. Bagger, J. Rossmeisl, P. Strasser, ACS Energy Lett., 2018, 3, 812-817.
[92] J. Shen, M. J. Kolb, A. J. Göttle, M. T. M. Koper, J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 15714-15721.