Lattice-Hydride Mechanism in Electrocatalytic CO2 Reduction by Structurally Precise Copper-Hydride Nanoclusters

Journal of the American Chemical Society

Volumn 139, Issue 28, 2017, Pages 9728-9736

  Tang, Qing ^a   Lee, Yongjin ^b   Li, Dai Ying ^c   Choi, Woojun ^b   Liu, C W ^c   Lee, Dongil ^b   Jiang, De En ^a  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b Yonsei University   (South Korea)

^c NATIONAL DONG HWA UNIVERSITY   (Taiwan)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CARBON DIOXIDE; COPPER; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTROCATALYSTS; FORECASTING; FORMIC ACID; HYDRIDES; HYDROGEN PRODUCTION; LIGANDS; NANOCLUSTERS;

DITHIOPHOSPHATES; ELECTROCHEMICAL PROTONS; ELECTROCHEMICAL TEST; HYDROGEN EVOLUTION; METAL NANOCLUSTERS; NANOSTRUCTURED CU; NEGATIVELY CHARGED; REDUCTION PRODUCTS;

REDUCTION;

CARBON DIOXIDE; COPPER NANOPARTICLE; HYDROGEN; PROTON;

ADSORPTION; ARTICLE; CALCULATION; CATALYSIS; CRYSTAL STRUCTURE; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTROCATALYSIS; ELECTROSPRAY MASS SPECTROMETRY; ELEMENTAL ANALYSIS; ENERGY; ENVIRONMENTAL TEMPERATURE; HYBRIDIZATION; HYDROGEN EVOLUTION; PHOSPHORUS NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE; PREDICTION; PROTON NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE; REACTION ANALYSIS; REDUCTION (CHEMISTRY);

EID: 85025088005     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.7b05591     Document Type: Article

References (75)

1. Davis, S. J.; Caldeira, K.; Matthews, H. D. Science 2010, 329, 1330-1333 10.1126/science.1188566
2. Parrenin, F.; Masson-Delmotte, V.; Kohler, P.; Raynaud, D.; Paillard, D.; Schwander, J.; Barbante, C.; Landais, A.; Wegner, A.; Jouzel, J. Science 2013, 339, 1060-1063 10.1126/science.1226368
3. Olah, G. A.; Prakash, G. K. S.; Goeppert, A. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 12881-12898 10.1021/ja202642y
4. Song, C. S. Catal. Today 2006, 115, 2-32 10.1016/j.cattod.2006.02.029
5. Whipple, D. T.; Kenis, P. J. A. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3451-3458 10.1021/jz1012627
6. Benson, E. E.; Kubiak, C. P.; Sathrum, A. J.; Smieja, J. M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 89-99 10.1039/B804323J
7. Hori, Y. In Modern Aspects of Electrochemistry, No 42; Springer: New York, 2008; pp 89-189.
8. Hori, Y.; Murata, A.; Takahashi, R. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1 1989, 85, 2309-2326 10.1039/f19898502309
9. Hori, Y.; Kikuchi, K.; Suzuki, S. Chem. Lett. 1985, 14, 1695-1698 10.1246/cl.1985.1695
10. Gattrell, M.; Gupta, N.; Co, A. J. Electroanal. Chem. 2006, 594, 1-19 10.1016/j.jelechem.2006.05.013
11. Hori, Y.; Takahashi, R.; Yoshinami, Y.; Murata, A. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7075-7081 10.1021/jp970284i
12. Hori, Y.; Kikuchi, K.; Murata, A.; Suzuki, S. Chem. Lett. 1986, 15, 897-898 10.1246/cl.1986.897
13. Hori, Y.; Murata, A.; Takahashi, R.; Suzuki, S. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5022-5023 10.1021/ja00250a044
14. Kuhl, K. P.; Cave, E. R.; Abram, D. N.; Jaramillo, T. F. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7050-7059 10.1039/c2ee21234j
15. Kuhl, K. P.; Hatsukade, T.; Cave, E. R.; Abram, D. N.; Kibsgaard, J.; Jaramillo, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14107-14113 10.1021/ja505791r
16. Hori, Y.; Takahashi, I.; Koga, O.; Hoshi, N. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 15-17 10.1021/jp013478d
17. Schouten, K. J. P.; Kwon, Y.; van der Ham, C. J. M.; Qin, Z.; Koper, M. T. M. Chem. Sci. 2011, 2, 1902-1909 10.1039/c1sc00277e
18. Schouten, K. J. P.; Qin, Z. S.; Gallent, E. P.; Koper, M. T. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9864-9867 10.1021/ja302668n
19. Cook, R. L.; Macduff, R. C.; Sammells, A. F. J. Electrochem. Soc. 1989, 136, 1982-1984 10.1149/1.2097110
20. Raciti, D.; Livi, K. J.; Wang, C. Nano Lett. 2015, 15, 6829-6835 10.1021/acs.nanolett.5b03298
21. Loiudice, A.; Lobaccaro, P.; Kamali, E. A.; Thao, T.; Huang, B. H.; Ager, J. W.; Buonsanti, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 5789-5792 10.1002/anie.201601582
22. Yang, K. D.; Ko, W. R.; Lee, J. H.; Kim, S. J.; Lee, H.; Lee, M. H.; Nam, K. T. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 796-800 10.1002/anie.201610432
23. Huang, Y.; Handoko, A. D.; Hirunsit, P.; Yeo, B. S. ACS Catal. 2017, 7, 1749-1756 10.1021/acscatal.6b03147
24. Ma, S.; Sadakiyo, M.; Heima, M.; Luo, R.; Haasch, R. T.; Gold, J. I.; Yamauchi, M.; Kenis, P. J. A. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 47-50 10.1021/jacs.6b10740
25. Huan, T. N.; Simon, P.; Rousse, G.; Genois, I.; Artero, V.; Fontecave, M. Chem. Sci. 2017, 8, 742-747 10.1039/C6SC03194C
26. Peterson, A. A.; Abild-Pedersen, F.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Norskov, J. K. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1311-1315 10.1039/c0ee00071j
27. Nie, X. W.; Esopi, M. R.; Janik, M. J.; Asthagiri, A. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 2459-2462 10.1002/anie.201208320
28. Durand, W. J.; Peterson, A. A.; Studt, F.; Abild-Pedersen, F.; Norskov, J. K. Surf. Sci. 2011, 605, 1354-1359 10.1016/j.susc.2011.04.028
29. Peterson, A. A.; Norskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 251-258 10.1021/jz201461p
30. Calle-Vallejo, F.; Koper, M. T. M. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 7282-7285 10.1002/anie.201301470
31. Xiao, H.; Cheng, T.; Goddard, W. A.; Sundararaman, R. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 483-486 10.1021/jacs.5b11390
32. Montoya, J. H.; Shi, C.; Chan, K.; Norskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2032-2037 10.1021/acs.jpclett.5b00722
33. Manthiram, K.; Beberwyck, B. J.; Aivisatos, A. P. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13319-13325 10.1021/ja5065284
34. Reske, R.; Mistry, H.; Behafarid, F.; Cuenya, B. R.; Strasser, P. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6978-6986 10.1021/ja500328k
35. Baturina, O. A.; Lu, Q.; Padilla, M. A.; Xin, L.; Li, W. Z.; Serov, A.; Artyushkova, K.; Atanassov, P.; Xu, F.; Epshteyn, A.; Brintlinger, T.; Schuette, M.; Collins, G. E. ACS Catal. 2014, 4, 3682-3695 10.1021/cs500537y
36. Jin, R. C. Nanoscale 2015, 7, 1549-1565 10.1039/C4NR05794E
37. Jin, R.; Zeng, C.; Zhou, M.; Chen, Y. Chem. Rev. 2016, 116, 10346-10413 10.1021/acs.chemrev.5b00703
38. Joshi, C. P.; Bootharaju, M. S.; Bakr, O. M. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 3023-3035 10.1021/acs.jpclett.5b00934
39. Desireddy, A.; Conn, B. E.; Guo, J. S.; Yoon, B.; Barnett, R. N.; Monahan, B. M.; Kirschbaum, K.; Griffith, W. P.; Whetten, R. L.; Landman, U.; Bigioni, T. P. Nature 2013, 501, 399-402 10.1038/nature12523
40. Dhayal, R. S.; Liao, J.-H.; Liu, Y.-C.; Chiang, M.-H.; Kahlal, S.; Saillard, J.-Y.; Liu, C. W. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 3702-3706 10.1002/anie.201410332
41. Dhayal, R. S.; Lin, Y.-R.; Liao, J.-H.; Chen, Y.-J.; Liu, Y.-C.; Chiang, M.-H.; Kahlal, S.; Saillard, J.-Y.; Liu, C. W. Chem.-Eur. J. 2016, 22, 9943-9947 10.1002/chem.201602275
42. Yang, H.; Wang, Y.; Huang, H.; Gell, L.; Lehtovaara, L.; Malola, S.; Häkkinen, H.; Zheng, N. Nat. Commun. 2013, 4, 2422 10.1038/ncomms3422
43. Jadzinsky, P. D.; Calero, G.; Ackerson, C. J.; Bushnell, D. A.; Kornberg, R. D. Science 2007, 318, 430-433 10.1126/science.1148624
44. Heaven, M. W.; Dass, A.; White, P. S.; Holt, K. M.; Murray, R. W. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3754-3755 10.1021/ja800561b
45. McKenzie, L. C.; Zaikova, T. O.; Hutchison, J. E. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 13426-13435 10.1021/ja5075689
46. Maity, P.; Tsunoyama, H.; Yamauchi, M.; Xie, S. H.; Tsukuda, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 20123-20125 10.1021/ja209236n
47. Wan, X.-K.; Tang, Q.; Yuan, S.-F.; Jiang, D.-E.; Wang, Q.-M. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 652-655 10.1021/ja512133a
48. Wan, X.-K.; Yuan, S.-F.; Tang, Q.; Jiang, D.-E.; Wang, Q.-M. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 5977-5980 10.1002/anie.201500590
49. Wan, X.-K.; Xu, W. W.; Yuan, S.-F.; Gao, Y.; Zeng, X.-C.; Wang, Q.-M. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 127, 9683-9686 10.1002/anie.201503893
50. Dhayal, R. S.; van Zyl, W. E.; Liu, C. W. Acc. Chem. Res. 2016, 49, 86-95 10.1021/acs.accounts.5b00375
51. Nguyen, T.-A. D.; Goldsmith, B. R.; Zaman, H. T.; Wu, G.; Peters, B.; Hayton, T. W. Chem.-Eur. J. 2015, 21, 5341-5344 10.1002/chem.201500422
52. Huertos, M. A.; Cano, I.; Bandeira, N. A. G.; Benet-Buchholz, J.; Bo, C.; van Leeuwen, P. Chem.-Eur. J. 2014, 20, 16121-16127 10.1002/chem.201404763
53. Dhayal, R. S.; Liao, J. H.; Wang, X. P.; Liu, Y. C.; Chiang, M. H.; Kahlal, S.; Saillard, J. Y.; Liu, C. W. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 13604-13608 10.1002/anie.201506736
54. Dhayal, R. S.; Liao, J.-H.; Lin, Y.-R.; Liao, P.-K.; Kahlal, S.; Saillard, J.-Y.; Liu, C. W. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4704-4707 10.1021/ja401576s
55. Nguyen, T.-A. D.; Jones, Z. R.; Goldsmith, B. R.; Buratto, W. R.; Wu, G.; Scott, S. L.; Hayton, T. W. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 13319-13324 10.1021/jacs.5b07574
56. Edwards, A. J.; Dhayal, R. S.; Liao, P. K.; Liao, J. H.; Chiang, M. H.; Piltz, R. O.; Kahlal, S.; Saillard, J. Y.; Liu, C. W. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 7214-7218 10.1002/anie.201403324
57. Dhayal, R. S.; Liao, J.-H.; Kahlal, S.; Wang, X.; Liu, Y.-C.; Chiang, M.-H.; van Zyl, W. E.; Saillard, J.-Y.; Liu, C. W. Chem.-Eur. J. 2015, 21, 8369-8374 10.1002/chem.201501122
58. Kresse, G.; Furthmuller, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1996, 54, 11169-11186 10.1103/PhysRevB.54.11169
59. Blochl, P. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1994, 50, 17953-17979 10.1103/PhysRevB.50.17953
60. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868 10.1103/PhysRevLett.77.3865
61. Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104 10.1063/1.3382344
62. Henkelman, G.; Uberuaga, B. P.; Jonsson, H. J. Chem. Phys. 2000, 113, 9901-9904 10.1063/1.1329672
63. Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jónsson, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886-17892 10.1021/jp047349j
64. Kortlever, R.; Shen, J.; Schouten, K. J. P.; Calle-Vallejo, F.; Koper, M. T. M. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 4073-4082 10.1021/acs.jpclett.5b01559
65. Lim, H.-K.; Shin, H.; Goddard, W. A.; Hwang, Y. J.; Min, B. K.; Kim, H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11355-11361 10.1021/ja503782w
66. Shin, H.; Ha, Y.; Kim, H. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 4124-4129 10.1021/acs.jpclett.6b01876
67. Li, C. W.; Kanan, M. W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7231-7234 10.1021/ja3010978
68. Qiao, J. L.; Jiang, P.; Liu, J. S.; Zhang, J. J. Electrochem. Commun. 2014, 38, 8-11 10.1016/j.elecom.2013.10.023
69. Kwak, K.; Choi, W.; Tang, Q.; Kim, M.; Lee, Y.; Jiang, D. E.; Lee, D. Nat. Commun. 2017, 8, 14723 10.1038/ncomms14723
70. Cheng, T.; Xiao, H.; Goddard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13802-13805 10.1021/jacs.6b08534
71. Kauffman, D. R.; Alfonso, D.; Matranga, C.; Qian, H.; Jin, R. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10237-10243 10.1021/ja303259q
72. Asadi, M.; Kim, K.; Liu, C.; Addepalli, A. V.; Abbasi, P.; Yasaei, P.; Phillips, P.; Behranginia, A.; Cerrato, J. M.; Haasch, R.; Zapol, P.; Kumar, B.; Klie, R. F.; Abiade, J.; Curtiss, L. A.; Salehi-Khojin, A. Science 2016, 353, 467-470 10.1126/science.aaf4767
73. Murugananthan, M.; Kaneco, S.; Katsumata, H.; Suzuki, T.; Kumaravel, M. In Green Carbon Dioxide; John Wiley & Sons: Hoboken, 2014; pp 191-214.
74. Bootharaju, M. S.; Dey, R.; Gevers, L. E.; Hedhili, M. N.; Basset, J. M.; Bakr, O. M. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13770-13773 10.1021/jacs.6b05482
75. Ohki, Y.; Shimizu, Y.; Araake, R.; Tada, M.; Sameera, W. M. C.; Ito, J.-I.; Nishiyama, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 15821-15825 10.1002/anie.201608262