Cooperative CO2-to-ethanol conversion via enriched intermediates at molecule–metal catalyst interfaces

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作者
Fengwang Li,Yuguang Li,Ziyun Wang,Jun Li,Dae‐Hyun Nam,Yanwei Lum,Mingchuan Luo,Xue Wang,Adnan Ozden,Sung‐Fu Hung,Bin Chen,Yuhang Wang,Joshua Wicks,Yi Xu,Yilin Li,Christine M. Gabardo,Cao‐Thang Dinh,Ying Wang,Tao‐Tao Zhuang,David Sinton
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:3 (1): 75-82 被引量:706
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0383-7
摘要

Electrochemical conversion of CO2 into liquid fuels, powered by renewable electricity, offers one means to address the need for the storage of intermittent renewable energy. Here we present a cooperative catalyst design of molecule–metal catalyst interfaces with the goal of producing a reaction-intermediate-rich local environment, which improves the electrosynthesis of ethanol from CO2 and H2O. We implement the strategy by functionalizing the copper surface with a family of porphyrin-based metallic complexes that catalyse CO2 to CO. Using density functional theory calculations, and in situ Raman and operando X-ray absorption spectroscopies, we find that the high concentration of local CO facilitates carbon–carbon coupling and steers the reaction pathway towards ethanol. We report a CO2-to-ethanol Faradaic efficiency of 41% and a partial current density of 124 mA cm−2 at −0.82 V versus the reversible hydrogen electrode. We integrate the catalyst into a membrane electrode assembly-based system and achieve an overall energy efficiency of 13%. Electrochemical conversion of CO2 into liquid fuels, powered by renewable electricity, offers one means to address the need for the storage of intermittent renewable energy. Now, Sargent and co-workers present a cooperative catalyst design of molecule–metal interfaces to improve the electrosynthesis of ethanol from CO2 by producing a reaction-intermediate-rich local environment.
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