Atomically precise, inherently charged Au(25) clusters are an exciting prospect for promoting catalytically challenging reactions, and we have studied the interaction between CO(2) and Au(25). Experimental results indicate a reversible Au(25)-CO(2) interaction that produced spectroscopic and electrochemical changes similar to those seen with cluster oxidation. Density functional theory (DFT) modeling indicates these changes stem from a CO(2)-induced redistribution of charge within the cluster. Identification of this spontaneous coupling led to the application of Au(25) as a catalyst for the electrochemical reduction of CO(2) in aqueous media. Au(25) promoted the CO(2) → CO reaction within 90 mV of the formal potential (thermodynamic limit), representing an approximate 200-300 mV improvement over larger Au nanoparticles and bulk Au. Peak CO(2) conversion occurred at -1 V (vs RHE) with approximately 100% efficiency and a rate 7-700 times higher than that for larger Au catalysts and 10-100 times higher than those for current state-of-the-art processes.

Active sites and structure–activity relationships for methanol synthesis from a stoichiometric mixture of CO2 and H2 were investigated for a series of coprecipitated Cu-based catalysts with temperature-programmed reduction (TPR), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and N2O decomposition. Experiments in a reaction chamber attached to an XPS instrument show that metallic Cu exists on the surface of both reduced and spent catalysts and there is no evidence of monovalent Cu+ species. This finding provides reassurance regarding the active oxidation state of Cu in methanol synthesis catalysts because it is observed with 6 compositions possessing different metal oxide additives, Cu particle sizes, and varying degrees of ZnO crystallinity. Smaller Cu particles demonstrate larger turnover frequencies (TOF) for methanol formation, confirming the structure sensitivity of this reaction. No correlation between TOF and lattice strain in Cu crystallites is observed suggesting this structural parameter is not responsible for the activity. Moreover, changes in the observed rates may be ascribed to relative distribution of different Cu facets as more open and low-index surfaces are present on the catalysts containing small Cu particles and amorphous or well-dispersed ZnO. In general, the activity of these systems results from large Cu surface area, high Cu dispersion, and synergistic interactions between Cu and metal oxide support components, illustrating that these are key parameters for developing fundamental mechanistic insight into the performance of Cu-based methanol synthesis catalysts.

A series of CdSe quantum dot (QD)-sensitized TiO2 heterostructures have been synthesized, characterized, and tested for the photocatalytic reduction of CO2 in the presence of H2O. Our results show that these heterostructured materials are capable of catalyzing the photoreduction of CO2 using visible light illumination (λ > 420 nm) only. The effect of removing surfactant caps from the CdSe QDs by annealing and using a hydrazine chemical treatment have also been investigated. The photocatalytic reduction process is followed using infrared spectroscopy to probe the gas-phase reactants and gas chromatography to detect the products. Gas chromatographic analysis shows that the primary reaction product is CH4, with CH3OH, H2, and CO observed as secondary products. Typical yields of the gas-phase products after visible light illumination (λ > 420 nm) were 48 ppm g−1 h−1 of CH4, 3.3 ppm g−1 h−1 of CH3OH (vapor), and trace amounts of CO and H2.

The catalytic conversion of CO2 into industrially relevant chemicals is one strategy for mitigating greenhouse gas emissions. Along these lines, electrochemical CO2 conversion technologies are attractive because they can operate with high reaction rates at ambient conditions. However, electrochemical systems require electricity, and CO2 conversion processes must integrate with carbon-free, renewable-energy sources to be viable on larger scales. We utilize Au25 nanoclusters as renewably powered CO2 conversion electrocatalysts with CO2 → CO reaction rates between 400 and 800 L of CO2 per gram of catalytic metal per hour and product selectivities between 80 and 95%. These performance metrics correspond to conversion rates approaching 0.8–1.6 kg of CO2 per gram of catalytic metal per hour. We also present data showing CO2 conversion rates and product selectivity strongly depend on catalyst loading. Optimized systems demonstrate stable operation and reaction turnover numbers (TONs) approaching 6 × 106 molCO2 molcatalyst–1 during a multiday (36 h total hours) CO2 electrolysis experiment containing multiple start/stop cycles. TONs between 1 × 106 and 4 × 106 molCO2 molcatalyst–1 were obtained when our system was powered by consumer-grade renewable-energy sources. Daytime photovoltaic-powered CO2 conversion was demonstrated for 12 h and we mimicked low-light or nighttime operation for 24 h with a solar-rechargeable battery. This proof-of-principle study provides some of the initial performance data necessary for assessing the scalability and technical viability of electrochemical CO2 conversion technologies. Specifically, we show the following: (1) all electrochemical CO2 conversion systems will produce a net increase in CO2 emissions if they do not integrate with renewable-energy sources, (2) catalyst loading vs activity trends can be used to tune process rates and product distributions, and (3) state-of-the-art renewable-energy technologies are sufficient to power larger-scale, tonne per day CO2 conversion systems.

The synthesis of ultrathin 2D amorphous dielectric film represents a major challenge due to the metastable nature of amorphous phases. We describe a scalable and solution-based strategy to prepare wafer-scale 2D amorphous carbon with thickness down to 1–2 atomic layers from coal-derived carbon quantum dots as precursors. The prepared atomically thin 2D amorphous carbon can be suspended over cavities as freestanding membranes with high modulus of 400±100 GPa and demonstrate robust dielectric properties with dielectric strength above 20 MV·cm-1 and leakage current density below 10-4 A·cm-2 through a scaled thickness of three-atomic layers. When implemented as ultrathin gate dielectrics in 2D transistors or ion-transport media in memristors, they enable exceptional device performance and spatiotemporal uniformity, resulting from their amorphous form, intrinsic ultrathinness, and 2D atomic structures.

In this work, LLDPE was upcycled into a high quality turbostratic graphene using a pre-treatment step to oxidatively crosslink the polymer with the assistance of solid additives (KCl and K2CO3) that improve crosslinking by increasing the effective surface area of the polymer melt during processing. After this pretreatment step, the crosslinked polymer could then be carbonized and catalytically graphenized between 400-950 °C without complete decomposition of the material. The LLDPE derived graphene (LLDPE-G) obtained from this process has a Brunauer–Emmett–Teller (BET) specific surface area, up to 1800 m2g-1 and average Raman ID/IG and I2D/IG ratios of 0.85 and 0.57, respectively, indicating high quality graphene. When used as an electrode material in symmetric supercapacitors, LLDPE-G possesses an outstanding specific capacitance up to 175 Fg-1 at a mass loading of 20 mgcm-2, which is two times the commercial requirement, yielding an excellent areal capacitance of 3.5 Fcm-2. Moreover, LLDPE-G exhibits exceptional cycling stability with a capacitance retention of 95.8% after 100,000 cycles at a current density of 4.0 Ag-1. Additionally, the KCl and K2CO3 were recycled and reused over 3 complete cycles to make new LLDPE-G with the material quality and electrocapacitive performance retained and verified after each cycle. Our approach creates new opportunities for upcycling not only waste LLDPE but also other varieties of PE to high value graphene materials.