Research Progress in Electrocatalytic CO2 Reduction Reaction over Gold Clusters

doi:10.7503/cjcu20220198

Abstract

Abstract:

Recently， the electrocatalytic CO₂ reduction reaction（CO₂RR） has attracted great attention because its wide application prospects in improving energy utilization， realizing sustainable carbon recycle and producing high value-added liquid fuels and chemicals. Atomically precise gold clusters protected by organic ligands show many advantages for electrocatalysis due to the well-defined structures. The redox potentials can be tuned by their cluster size， ligand， and composition of these clusters. Acted as ideal model catalysts， the gold clusters provide a new opportunity to explore the reaction mechanism of CO₂RR at the atomic level. In this review， the research progress of CO₂RR catalyzed by gold clusters is surveyed， including the effects of the charge， size， ligand and doping of gold nanoclusters on the performances of CO₂RR. Particularly， the reaction mechanism of CO₂RR is discussed in details. Besides， the challenges and prospects of gold nanoclusters in CO₂RR are also presented.

Key words: Gold cluster, Precise structure, CO₂ electroreduction, Structure-activity relationship, Reaction mechanism

CLC Number:

O641.4

TrendMD:

YANG Dan, LIU Xu, DAI Yihu, ZHU Yan, YANG Yanhui. Research Progress in Electrocatalytic CO₂ Reduction Reaction over Gold Clusters[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220198.

Figures/Tables 15

Table 1 Major products, reactions and potentials of CO2RR

Product	Reaction	Potential/V（vs. RHE^*）
Hydrogen	$2 H + + 2 e - → H 2 (g)$	0
	$C O 2 (g) + e - → C O 2 ? -$	-1.90
Carbon monoxide	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → C O (g) + H 2 O (l)$	-0.10
Formic acid	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → H C O O H (l)$	-0.12
Formaldehyde	$C O 2 (g) + 4 H + + 4 e - → H C H O (l) + H 2 O (l)$	-0.07
Methanol	$C O 2 (g) + 6 H + + 6 e - → C H 3 O H (l) + H 2 O (l)$	0.03
Methane	$C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 4 (g) + 2 H 2 O (l)$	0.17
Ethylene	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 4 g + 4 H 2 O (l)$	0.08
Ethane	$2 C O 2 (g) + 14 H + + 14 e - → C 2 H 6 g + 4 H 2 O (l)$	0.14
Ethanol	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 5 O H (l) + 3 H 2 O (l)$	0.09
Acetic acid	$2 C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 3 C O O H (l) + 2 H 2 O (l)$	0.06
Propanol	$3 C O 2 (g) + 18 H + + 18 e - → C 3 H 7 O H (l) + 5 H 2 O (l)$	0.10

Table 1 Major products, reactions and potentials of CO2RR

Product	Reaction	Potential/V（vs. RHE^*）
Hydrogen	$2 H + + 2 e - → H 2 (g)$	0
	$C O 2 (g) + e - → C O 2 ? -$	-1.90
Carbon monoxide	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → C O (g) + H 2 O (l)$	-0.10
Formic acid	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → H C O O H (l)$	-0.12
Formaldehyde	$C O 2 (g) + 4 H + + 4 e - → H C H O (l) + H 2 O (l)$	-0.07
Methanol	$C O 2 (g) + 6 H + + 6 e - → C H 3 O H (l) + H 2 O (l)$	0.03
Methane	$C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 4 (g) + 2 H 2 O (l)$	0.17
Ethylene	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 4 g + 4 H 2 O (l)$	0.08
Ethane	$2 C O 2 (g) + 14 H + + 14 e - → C 2 H 6 g + 4 H 2 O (l)$	0.14
Ethanol	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 5 O H (l) + 3 H 2 O (l)$	0.09
Acetic acid	$2 C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 3 C O O H (l) + 2 H 2 O (l)$	0.06
Propanol	$3 C O 2 (g) + 18 H + + 18 e - → C 3 H 7 O H (l) + 5 H 2 O (l)$	0.10

References 70

1	Liu Y. T.， Deng D. H.， Bao X. H.， Chem， 2020， 6（10）， 2497―2514
2	Tao Z. X.， Wang H. L.， Chem. Res. Chinese Universities， 2020， 36（6）， 1145―1146
3	Fu X. L.， Zhu A. N.， Chen X. J.， Zhang S. F.， Wang M.， Yuan M. J.， Chem. Res. Chinese Universities， 2021， 37（6）， 1328―1333
4	Bai X. F.， Chen W.， Wang B. Y.， Feng G. H.， Wei W.， Jiao Z.， Sun Y. H.， Acta Phys. Chim. Sin.， 2017， 33（12）， 2388—2403
	白晓芳，陈为，王白银，冯光辉，魏伟，焦正，孙予罕. 物理化学学报， 2017， 33（12）， 2388—2403
5	Jin X. Y.， Zhang L. B.， Sun X. F.， Han B. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（5）， 20220035
	金湘元，张礼兵，孙晓甫，韩布兴. 高等学校化学学报， 2022， 43（5）， 20220035
6	Zhu M. Z， Aikens C. M.， Hollander F. J.， Schatz G. C.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2008， 130（18）， 5883—5885
7	Tian S. B.， Liao L. W.， Yuan J. Y.， Yao C. H.， Chen J. S.， Yang J. L.， Wu Z. K.， Chem. Commun.， 2016， 52（64）， 9873—9875
8	Yao C. H.， Lin Y. J.， Yuan J. Y.， Liao L. W.， Zhu M.， Weng L. H.， Yang J. L.， Wu Z. K.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（49）， 15350—15353
9	Liao L. W.， Zhou S. M.， Dai Y. F.， Liu L. R.， Yao C. H.， Fu C. F.， Yang J. L.， Wu Z. K.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（30）， 9511—9514
10	Yamazoe S.， Matsuo S.， Muramatsu S.， Takano S.， Nitta K.， Tsukuda T.， Inorg. Chem.， 2017， 56（14）， 8319—8325
11	McKenzie L. C.， Zaikova T. O.， Hutchison J. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（38）， 13426—13435
12	Narouz M. R.， Takano S.， Lummis P. A.， Levchenko T. I.， Nazemi A.， Kaappa S.， Malola S.， Yousefalizadeh G.， Calhoun L. A.， Stamplecoskie K. G.， Häkkinen H.， Tsukuda T.， Crudden C. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（38）， 14997—15002
13	Yang S.， Chen S.， Xiong L.， Liu C.， Yu H. Z.， Wang S. X.， Rosi N. L.， Pei Y.， Zhu M. Z.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（35）， 10988—10994
14	Itteboina R.， Madhuri U. D.， Ghosal P.， Kannan M.， Sau T. K.， Tsukuda T.， Bhardwaj S.， J. Phys. Chem. A， 2018， 122（5）， 1228—1234
15	Zhu M. Z.， Qian H. F.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2009， 131（21）， 7220—7221
16	Chen S.， Xiong L.， Wang S. X.， Ma Z. Y.， Jin S.， Sheng H. T.， Pei Y.， Zhu M. Z.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（34）， 10754—10757
17	Hesari M.， Workentin M. S.， J. Mater. Chem. C， 2014， 2（18）， 3631—3638
18	Das A.， Li T.， Li G.， Nobusada K.， Zeng C. J.， Rosi N. L.， Jin R. C.， Nanoscale， 2014， 6（12）， 6458—6462
19	Zeng C. J.， Li T.， Das A.， Rosi N. L.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（27）， 10011—10013
20	Higaki T.， Liu C.， Zeng C. J.， Jin R. X.， Chen Y. X.， Rosi N. L.， Jin R. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（23）， 6694—6697
21	Yuan S. F.， Xu C. Q.， Li J.， Wang Q. M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（18）， 5906—5909
22	Zeng C. J.， Qian H. F.， Li T.， Li G.， Rosi N. L.， Yoon B.， Barnett R. N.， Whetten R. L.， Landman U.， Jin R. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（52）， 13114—13118
23	Donkers R. L.， Lee D.， Murray R. W.， Langmuir， 2008， 24（11）， 5976—5976
24	Zeng C. J.， Chen Y. X.， Liu C.， Nobusada K.， Rosi N. L.， Jin R. C.， Sci. Adv.， 2015， 1（9）， e1500425
25	Dong H. W.， Liao L. W.， Zhuang S. L.， Yao C. H.， Chen J. S.， Tian S. B.， Zhu M.， Liu X.， Li L. L.， Wu Z. K.， Nanoscale， 2017， 9（11）， 3742—3746
26	Zhuang S. L.， Liao L. W.， Zhao Y.， Yuan J. Y.， Yao C. H.， Liu X.， Li J.， Deng H. T.， Yang J. L.， Wu Z. K.， Chem. Sci.， 2018， 9（9）， 2437—2442
27	Zeng C. J.， Chen Y. X.， Iida K.， Nobusada K.， Kirschbaum K.， Lambright K. J.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（12）， 3950—3953
28	Liao L. W.， Zhuang S. L.， Wang P.， Xu Y. N.， Yan N.， Dong H. W.， Wang C. M.， Zhao Y.， Xia N.， Li J.， Deng H. T.， Pei Y.， Tian S. K.， Wu Z. K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56（41）， 12644—12648
29	Zhuang S. L.， Liao L. W.， Li M. B.， Yao C. H.， Zhao Y.， Dong H. W.， Li J.， Deng H. T.， Li L. L.， Wu Z. K.， Nanoscale， 2017， 9（39）， 14809—14813
30	Gan Z. B.， Chen J. S.， Wang J.， Wang C. M.， Li M. B.， Yao C. H.， Zhuang S. L.， Xu A.， Li L. L.， Wu Z. K.， Nat. Commun.， 2017， 8， 14739
31	Zeng C. J.， Liu C.， Chen Y. X.， Rosi N. L.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（28）， 8710—8713
32	Jadzinsky P. D.， Calero G.， Ackerson C. J.， Bushnell D. A.， Kornberg R. D.， Science， 2007， 318（5849）， 430—433
33	Chen Y. X.， Zeng C. J.， Liu C.， Kirschbaum K.， Gayathri C.， Gil R. R.， Rosi N. L.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（32）， 10076—10079
34	Qian H. F.， Jin R. C.， Nano Lett.， 2009， 9（12）， 4083—4087
35	Sakthivel N. A.， Shabaninezhad M.， Sementa L.， Yoon B.， Stener M.， Whetten R. L， Ramakrishna G.， Fortunelli A.， Landman U.， Dass A.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（37）， 15799—15814
36	Zeng C. J.， Chen Y. X.， Kirschbaum K.， Lambright K. J.， Jin R. C.， Science， 2016， 354（6319）， 1580—1584
37	Sakthivel N. A.， Theivendran S.， Ganeshraj V.， Oliver A. G.， Dass A.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（43）， 15450—15459
38	Liu X.， Saranya G.， Huang X. Y.， Cheng X. L.， Wang R.， Chen M. Y.， Zhang C. F.， Li T.， Zhu Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（33）， 13941—13946
39	Xu J. Y.， Xiong L.， Cai X.， Tang S. S.， Tang A. C.， Liu X.， Pei Y.， Zhu Y.， Chem. Sci.， 2022， 13（9）， 2778—2782
40	Ito E.， Takano S.， Nakamura T.， Tsukuda T.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 60（2）， 645—649
41	Li S. T.， Nagarajan A. V.， Alfonso D. R.， Sun M. K.， Kauffman D. R.， Mpourmpakis G.， Jin R. C.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（12）， 6351—6356
42	Zhuang S. L.， Chen D.， Liao L. W.， Zhao Y.， Xia N.， Zhang W. H.， Wang C. M.， Yang J.， Wu Z. K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（8）， 3073—3077
43	Liu X.， Yao G.， Cheng X. L.， Xu J. Y.， Cai X.， Hu W. G.， Xu W. W.， Zhang C. F.， Zhu Y.， Chem. Sci.， 2021， 12（9）， 3290—3294
44	Wan X. K.， Cheng X. L.， Tang Q.， Han Y. Z.， Hu G. X.， Jiang D. E.， Wang Q. M.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（28） 9451—9454
45	Guan Z. J.， Zeng J. L.， Yuan S. F.， Hu F.， Lin Y. M.， Wang Q. M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（20）， 5703—5707
46	Yang D.， Pei W.， Zhou S.， Zhao J. J.， Ding W. P.， Zhu Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（5）， 1919—1924
47	Yang D.， Pei W.， Zhang Y. Y.， Hu W. G.， Cai X.， Sun Y. N.， Li S. H.， Cheng X. L.， Zhou S.， Zhao J. J.， Zhu Y.， Ding W. P.， Liu X.， Nano Res.， 2020， 14（3）， 807—813
48	Cai X.， Hu W. G.， Xu S.， Yang D.， Chen M. Y.， Shu M.， Si R.， Ding W. P.， Zhu Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（9）， 4141—4153
49	Sun Y. N.， Yang D.， Zhang Y. Y.， Hu W. G.， Cheng X. L.， Liu X.， Chen M. Y.， Zhu Y.， Chem. Commun.， 2020， 56（84）， 12833—12836
50	Yang D.， Song Y.， Yang F.， Sun Y. N.， Li S. H.， Liu X.， Zhu Y.， Yang Y. H.， J. Chem. Phys.， 2021， 155（5）， 054305
51	Li G. J.， Sui X.， Cai X.， Hu W. G.， Liu X.， Chen M. Y.， Zhu Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（19）， 10573—10576
52	Liu Y. Y.， Chai X. Q.， Cai X.， Chen M. Y.， Jin R. C.， Ding W. P.， Zhu Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（31）， 9775—9779
53	Lei Z.， Wan X. K.， Yuan S. F.， Guan Z. J.， Wang Q. M.， Acc. Chem. Res.， 2018， 51（10）， 2465—2474
54	Du Y. X.， Sheng H. T.， Astruc D.， Zhu M. Z.， Chem. Rev.， 2020， 120（2）， 526—622
55	Jin R. C.， Li G.， Sharma S.， Li Y. W.， Du X. S.， Chem. Rev.， 2021， 121（2）， 567—648
56	Kauffman D. R.， Alfonso D.， Matranga C.， Qian H. F.， Jin R. C.， J. Am. Chem. Soc.， 2012， 134（24）， 10237—10243
57	Hashmi A. S. K.， Hutchings G. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2006， 45（47）， 7896—7936
58	Min B. K.， Friend C. M.， Chem. Rev.， 2007， 107（6）， 2709—2724
59	Li G. J.， Hu W. G.， Sun Y. N.， Xu J.Y.， Cai X.， Cheng X. L.， Zhang Y. Y.， Tang A. C.， Liu X.， Chen M. Y.， Ding W. P.， Zhu Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（47）， 21135—21142
60	Kauffman D. R.， Alfonso D.， Matranga C.， Ohodnicki P.， Deng X. Y.， Siva R. C.， Zeng C. J.， Jin R. C.， Chem. Sci.， 2014， 5（8）， 3151—3157
61	Narouz M. R.， Osten K. M.， Unsworth P. J.， Man R. W. Y.， Salorinne K.， Takano S.， Tomihara R.， Kaappa S.， Malola S.， Dinh C. T.， Padmos J. D.， Ayoo K.， Garrett P. J.， Nambo M.， Horton J. H.， Sargent E. H.， Häkkinen H.， Tsukuda T.， Crudden C. M.， Nat. Chem.， 2019， 11（5）， 419—425
62	Yuan S. F.， He R. L.， Han X. S.， Wang J. Q.， Guan Z. J.， Wang Q. M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（26）， 14345—14349
63	Li S. T.， Nagarajan A. V.， Li Y. W.， Kauffman D. R.， Mpourmpakis G.， Jin R. C.， Nanoscale， 2021， 13（4）， 2333—2337
64	Zhao S.， Austin N.， Li M.， Song Y. B.， House S. D.， Bernhard S.， Yang J. C.， Mpourmpakis G.， Jin R. C.， ACS Catal.， 2018， 8（6）， 4996—5001
65	Wan X. K.， Wang J. Q.， Wang Q. M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（38）， 20748—20753
66	Gao Z. H.， Wei K. C.， Wu T.， Dong J.， Jiang D. E.， Sun S. H.， Wang L. S.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（12）， 5258—5262
67	Tang Q.， Lee Y. J.， Li D. Y.， Choi W.， Liu C. W.， Lee D.， Jiang D. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（28）， 9728—9736
68	Sun Y. N.， Liu X.， Xiao K.， Zhu Y.， Chen M. Y.， ACS Catal.， 2021， 11（18）， 11551—11560
69	Li S. T.， Alfonso D.， Nagarajan A. V.， House S. D.， Yang J. C.， Kauffman D. R.， Mpourmpakis G.， Jin R. C.， ACS Catal.， 2020， 10（20）， 12011—12016
70	Choi W.， Seong H.， Efremov V.， Lee Y.， Im S.， Lim D. H.， Yoo J. S.， Lee D.， J. Chem. Phys.， 2021， 155（1）， 014305

[1]	ZHAO Yingzhe, ZHANG Jianling. Applications of Metal-organic Framework-based Material in Carbon Dioxide Photocatalytic Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220223.
[2]	ZHOU Zixuan, YANG Haiyan, SUN Yuhan, GAO Peng. Recent Progress in Heterogeneous Catalysts for the Hydrogenation of Carbon Dioxide to Methanol [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220235.
[3]	SUN Cuihong, LYU Liqiang, LIU Ying, WANG Yan, YANG Jing, ZHANG Shaowen. Mechanism and Kinetics on the Reaction of Isopropyl Nitrate with Cl， OH and NO₃ Radicals [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210591.
[4]	CHENG Yuanyuan, XI Biying. Theoretical Study on the Fragmentation Mechanism of CH₃SSCH₃ Radical Cation Initiated by OH Radical [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220271.
[5]	MENG Fanwei, GAO Qi, YE Qing, LI Chenxi. Potassium Poisoning Mechanism of Cu-SAPO-18 Catalyst for Selective Catalytic Reduction of NO_x by Ammonia [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2832.
[6]	YANG Yiying, ZHU Rongxiu, ZHANG Dongju, LIU Chengbu. Theoretical Study on Gold-catalyzed Cyclization of Alkynyl Benzodioxin to 8-Hydroxy-isocoumarin [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2299.
[7]	LI Xinyi, LIU Yongjun. Theoretical Insights into the Cleavage of β-Hydroxy Ketone Catalyzed by Artificial Retro-aldolase RA95.5-8F [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2306.
[8]	REN Ying, LI Changhua, WANG Tao, XUE Shanshan, ZHANG Tingting, JIA Jianfeng, WU Haishun. Theoretical Studies on Pd-catalyzed Oxidative N─H Carbonylation to Synthesis of 1，3，4-Oxadiazole-2（3H）-one Heterocyclic Compounds [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1793.
[9]	LI Yiwei, SHENTU Jiangtao, WANG Jingbo, LI Xiangyuan. Combustion Mechanism Construction Based on Minimized Reaction Network： C1⁃Oxygen Combustion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1871.
[10]	TIAN Shengqiao, WEI Meiju. Reaction Mechanism for Rh（Ⅱ）-catalyzed ［3+3］ Cyclization of Indole Derivatives and Propertis of Product [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1899.
[11]	HOU Hua, WANG Baoshan. Group Additivity Theoretical Model for the Prediction of Dielectric Strengths of the Alternative Gases to SF₆ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(12): 3709.
[12]	QI Guodong, YE Xiaodong, XU Jun, DENG Feng. Progress in NMR Studies of Carbohydrates Conversion on Zeolites [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(1): 148.
[13]	YE Xiaodong, QI Guodong, XU Jun, DENG Feng. Glucose Oxidation on Au-supported SBA-15 Molecular Sieve ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 960.
[14]	LI Xiangyuan, SHENTU Jiangtao, LI Yiwei, LI Juanqin, WANG Jingbo. Combustion Mechanism Construction Based on Minimized Reaction Network: Hydrogen-Oxygen Combustion ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 772.
[15]	LI Xiangyuan,YAO Xiaoxia,SHENTU Jiangtao,SUN Xiaohui,LI Juanqin,LIU Mingxia,XU Shimin. Combustion Reaction Mechanism Construction by Two-parameter Rate Constant Method ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(3): 512.

Research Progress in Electrocatalytic CO₂ Reduction Reaction over Gold Clusters

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