Catalytic Peculiarity of Alkali Metal Cation-Free Electrode/Polyelectrolyte Interfaces Toward CO2 Reduction

化学 聚电解质 催化作用 电解质 电化学 电极 无机化学 涂层 可逆氢电极 电解 化学工程 电解水 工作电极 物理化学 有机化学 聚合物 工程类
作者
Zhensheng Mi,Tuo Wang,Li Xiao,Gongwei Wang,Lin Zhuang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (25): 17377-17383 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.4c04591
摘要

A prominent feature of modern electrochemical technologies, such as fuel cells and electrolysis, is the employing of polyelectrolytes instead of liquid electrolytes. Unlike the well-studied electrode/liquid electrolyte interfaces, however, the catalytic characteristics of electrode/polyelectrolyte interfaces remain largely unexplored, mostly due to the lack of reliable probing methods. Herein, we report a universally applicable approach to investigating electrocatalytic reactions at electrode/polyelectrolyte interfaces under normal electrochemical conditions. By coating a thin layer of anion-exchange membrane (AEM) onto the electrode surface, solutions with bulky organic cations were well separated, thus a pure electrode/polyelectrolyte interface can be established in a regular electrochemical setup and studied using in situ spectroscopies, e.g., attenuated total reflectance surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (ATR-SEIRAS). We found that the blank Au surface was inert toward the CO2 reduction reaction (CO2RR) in the absence of alkali metal cations, whereas coating with an AEM can dramatically turn on the catalytic activity. ATR-SEIRAS revealed that the hydrogen bond network of water at the Au/AEM interface was enhanced in comparison to that on the blank Au surface, which facilitated the hydrogenation process of the CO2RR. These findings further our fundamental understanding of the catalytic behavior of electrode/polyelectrolyte interfaces and benefit the development of relevant electrochemical technologies.
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