Protecting Copper Oxidation State via Intermediate Confinement for Selective CO2 Electroreduction to C2+ Fuels

化学 催化作用 选择性 法拉第效率 碳纤维 拉曼光谱 氧合物 一氧化碳 氧化物 电化学 无机化学 氧化态 部分氧化 光化学 有机化学 物理化学 复合材料 材料科学 电极 物理 光学 复合数
作者
Peng‐Peng Yang,Xiaolong Zhang,Fei‐Yue Gao,Ya‐Rong Zheng,Zhuang‐Zhuang Niu,Xingxing Yu,Ren Liu,Zhi‐Zheng Wu,Shuai Qin,Li‐Ping Chi,Yu Duan,Tao Ma,Xusheng Zheng,Junfa Zhu,Huijuan Wang,Min‐Rui Gao,Shu‐Hong Yu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (13): 6400-6408 被引量:563
标识
DOI:10.1021/jacs.0c01699
摘要

Selective and efficient catalytic conversion of carbon dioxide (CO2) into value-added fuels and feedstocks provides an ideal avenue to high-density renewable energy storage. An impediment to enabling deep CO2 reduction to oxygenates and hydrocarbons (e.g., C2+ compounds) is the difficulty of coupling carbon-carbon bonds efficiently. Copper in the +1 oxidation state has been thought to be active for catalyzing C2+ formation, whereas it is prone to being reduced to Cu0 at cathodic potentials. Here we report that catalysts with nanocavities can confine carbon intermediates formed in situ, which in turn covers the local catalyst surface and thereby stabilizes Cu+ species. Experimental measurements on multihollow cuprous oxide catalyst exhibit a C2+ Faradaic efficiency of 75.2 ± 2.7% at a C2+ partial current density of 267 ± 13 mA cm-2 and a large C2+-to-C1 ratio of ∼7.2. Operando Raman spectra, in conjunction with X-ray absorption studies, confirm that Cu+ species in the as-designed catalyst are well retained during CO2 reduction, which leads to the marked C2+ selectivity at a large conversion rate.
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