SEMINAR

 

Electrocatalysis on Atom-Precise Metal Nanoclusters

 

Dongil Lee

 

Yonsei University, Seoul 03722, Republic of Korea 

dongil@yonsei.ac.kr

 

Accurate identification of active sites is critical for elucidating catalytic reaction mechanisms and developing highly efficient and selective electrocatalysts. In the first part of my presentation, I will talk about atomic-level identification of active sites for the electrochemical CO₂ reduction reaction (CO₂RR) using atomically well-defined metal nanoclusters (NCs) Au₂₅(SR)₁₈ and Ag₂₅(SR)₁₈ (SR = thiolate). While both NCs produced CO as a main CO₂RR product, the Au₂₅ NC exhibited a significantly higher CO₂RR activity than the Ag₂₅ NC. Theoretical and operando studies revealed that the CO₂RR limiting potential for the Au₂₅ NC was significantly smaller than that for the Ag₂₅ NC, while both NCs contained the partially dethiolated metal sites as the active sites. Active-site engineering was performed by replacing the Ag₁₂(SR)₁₈ shell of the Ag₂₅(SR)₁₈ NC with the Au₁₂(SR)₁₈ shell to generate a core-shell AuAg₁₂@Au₁₂(SR)₁₈ NC, which exhibited stable CO₂-to-CO electroreduction at a commercially relevant current density of 200 mA/cm² and a full-cell potential of 2.1 V in a zero-gap CO₂ electrolyzer. In the second part, I will discuss the effects of metal doping and ligand engineering on the hydrogen evolution reaction (HER) activities of gold and silver NCs. Studies of electrocatalysis by the rationally engineered NCs provide many important design principles for the development of electrocatalysts with tailored structure and adsorption energy. These principles are illustrated with NC-based electrocatalysts for water splitting and CO₂ conversion.