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Boosting Electrochemical CO2 Reduction via Surface Hydroxylation over Cu-Based Electrocatalysts

催化作用 电化学 化学 法拉第效率 化学工程 阴极 选择性 羟基化 分子 电极 无机化学 材料科学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Congcong Li,Zhongyuan Guo,Zhongliang Liu,Tingting Zhang,Haojun Shi,Jialin Cui,Minghui Zhu,Ling Zhang,Hao Li,Huihui Li,Chunzhong Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (24): 16114-16125 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c02454
摘要

Electrochemical CO2 reduction (CO2R) to valuable multicarbon (C2+) products is an attractive means for upgrading waste CO2. One of the intensively studied strategies is to apply concentrated KOH solution to extensively proceed with CO2R to C2+ products; however, the undesired carbonate formation at the cathode consumes majority of the input CO2. Therefore, it is crucial to seek a new strategy to improve the local environment at the electrode and thus eliminate or reduce dependence of the selectivity of CO2R on bulk OH– concentration. However, tailoring a stable surface hydroxylation reaction microenvironment near the catalyst surface throughout the extended CO2R operation process is still a challenge. Here, we implement the concept of molecular surface modification experimentally by applying a hydroxyl-functionalized surface strategy (i.e., capping hydroxyl-rich molecules over a set of Cu2O catalysts) to enhance the formation of C2+ products. Electrochemical experiments and operando characterizations confirm the stable presence of hydroxyl species near the catalyst surface during the CO2R operation and its advantage in converting absorbed *CO into C2+ products. As a result, the Faradaic efficiency of C2+ products of 81.5% and the cathodic energy efficiency of 43.1% were achieved with a partial current density of 285 mA cm–2 in a flow cell. Using a cation-exchange membrane electrode assembly device, we demonstrated the stable production of ethylene over 100 h at an average current density of 151 mA cm–2. Theoretical analyses also show that hydroxyl-rich molecules such as gluconic acid can lead to the electron loss of the Cu sites, which is beneficial for *CO adsorption and thus the formation of C2+ products. Our results reveal the significance of tailoring a stable local reaction microenvironment over the catalyst surface in an electrochemical system.
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