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Electrocatalytic CO2-to-C2+ with Ampere-Level Current on Heteroatom-Engineered Copper via Tuning *CO Intermediate Coverage
Journal of the American Chemical Society ( IF 15.0 ) Pub Date : 2022-08-04 , DOI: 10.1021/jacs.2c06820 Min Zheng 1 , Pengtang Wang 1 , Xing Zhi 1 , Kang Yang 2 , Yan Jiao 1 , Jingjing Duan 2 , Yao Zheng 1 , Shi-Zhang Qiao 1
Journal of the American Chemical Society ( IF 15.0 ) Pub Date : 2022-08-04 , DOI: 10.1021/jacs.2c06820 Min Zheng 1 , Pengtang Wang 1 , Xing Zhi 1 , Kang Yang 2 , Yan Jiao 1 , Jingjing Duan 2 , Yao Zheng 1 , Shi-Zhang Qiao 1
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An ampere-level current density of CO2 electrolysis is critical to realize the industrial production of multicarbon (C2+) fuels. However, under such a large current density, the poor CO intermediate (*CO) coverage on the catalyst surface induces the competitive hydrogen evolution reaction, which hinders CO2 reduction reaction (CO2RR). Herein, we report reliable ampere-level CO2-to-C2+ electrolysis by heteroatom engineering on Cu catalysts. The Cu-based compounds with heteroatom (N, P, S, O) are electrochemically reduced to heteroatom-derived Cu with significant structural reconstruction under CO2RR conditions. It is found that N-engineered Cu (N–Cu) catalyst exhibits the best CO2-to-C2+ productivity with a remarkable Faradaic efficiency of 73.7% under −1100 mA cm–2 and an energy efficiency of 37.2% under −900 mA cm–2. Particularly, it achieves a C2+ partial current density of −909 mA cm–2 at −1.15 V versus reversible hydrogen electrode, which outperforms most reported Cu-based catalysts. In situ spectroscopy indicates that heteroatom engineering adjusts *CO adsorption on Cu surface and alters the local H proton consumption in solution. Density functional theory studies confirm that the high adsorption strength of *CO on N–Cu results from the depressed HER and promoted *CO adsorption on both bridge and atop sites of Cu, which greatly reduces the energy barrier for C–C coupling.
中文翻译:
通过调谐 *CO 中间覆盖率在杂原子工程铜上具有安培级电流的电催化 CO2 到 C2+
CO 2电解的安培级电流密度对于实现多碳(C 2+)燃料的工业生产至关重要。然而,在如此大的电流密度下,催化剂表面较差的CO中间体(*CO)覆盖率会引发竞争性析氢反应,从而阻碍CO 2还原反应(CO 2 RR)。在此,我们报告了在铜催化剂上通过杂原子工程实现可靠的安培级 CO 2到 C 2+电解。具有杂原子(N、P、S、O)的Cu基化合物在CO 2下被电化学还原为杂原子衍生的Cu,并具有显着的结构重建RR条件。结果表明,N 工程 Cu (N-Cu) 催化剂表现出最佳的 CO 2转化为 C 2+的生产率,在 -1100 mA cm -2下的法拉第效率为 73.7%,在 - 下的能量效率为 37.2%。 900 毫安厘米–2。特别是,与可逆氢电极相比,它在 -1.15 V 时实现了 -909 mA cm –2的 C 2+部分电流密度,优于大多数报道的铜基催化剂。原位光谱表明杂原子工程调整了Cu表面上的*CO吸附并改变了溶液中的局部H质子消耗。密度泛函理论研究证实,*CO 在 N-Cu 上的高吸附强度是由于 HER 降低并促进了 *CO 在 Cu 的桥位和顶部位点的吸附,这大大降低了 C-C 耦合的能垒。
更新日期:2022-08-04
中文翻译:
通过调谐 *CO 中间覆盖率在杂原子工程铜上具有安培级电流的电催化 CO2 到 C2+
CO 2电解的安培级电流密度对于实现多碳(C 2+)燃料的工业生产至关重要。然而,在如此大的电流密度下,催化剂表面较差的CO中间体(*CO)覆盖率会引发竞争性析氢反应,从而阻碍CO 2还原反应(CO 2 RR)。在此,我们报告了在铜催化剂上通过杂原子工程实现可靠的安培级 CO 2到 C 2+电解。具有杂原子(N、P、S、O)的Cu基化合物在CO 2下被电化学还原为杂原子衍生的Cu,并具有显着的结构重建RR条件。结果表明,N 工程 Cu (N-Cu) 催化剂表现出最佳的 CO 2转化为 C 2+的生产率,在 -1100 mA cm -2下的法拉第效率为 73.7%,在 - 下的能量效率为 37.2%。 900 毫安厘米–2。特别是,与可逆氢电极相比,它在 -1.15 V 时实现了 -909 mA cm –2的 C 2+部分电流密度,优于大多数报道的铜基催化剂。原位光谱表明杂原子工程调整了Cu表面上的*CO吸附并改变了溶液中的局部H质子消耗。密度泛函理论研究证实,*CO 在 N-Cu 上的高吸附强度是由于 HER 降低并促进了 *CO 在 Cu 的桥位和顶部位点的吸附,这大大降低了 C-C 耦合的能垒。