Pd-Catalyzed Electrohydrogenation of Carbon Dioxide to Formate: High Mass Activity at Low Overpotential and Identification of the Deactivation Pathway

过电位 化学 格式化 催化作用 二氧化碳电化学还原 电化学 无机化学 二氧化碳 法拉第效率 碳纤维 一氧化碳 有机化学 电极 物理化学 材料科学 复合材料 复合数
作者
Xiao-Quan Min,Matthew W. Kanan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (14): 4701-4708 被引量:412
标识
DOI:10.1021/ja511890h
摘要

Electrochemical reduction of CO2 to formate (HCO2–) powered by renewable electricity is a possible carbon-negative alternative to synthesizing formate from fossil fuels. This process is energetically inefficient because >1 V of overpotential is required for CO2 reduction to HCO2– on the metals currently used as cathodic catalysts. Pd reduces CO2 to HCO2– with no overpotential, but this activity has previously been limited to low synthesis rates and plagued by an unidentified deactivation pathway. Here we show that Pd nanoparticles dispersed on a carbon support reach high mass activities (50–80 mA HCO2– synthesis per mg Pd) when driven by less than 200 mV of overpotential in aqueous bicarbonate solutions. Electrokinetic measurements are consistent with a mechanism in which the rate-determining step is the addition of electrochemically generated surface adsorbed hydrogen to CO2 (i.e., electrohydrogenation). The electrodes deactivate over the course of several hours because of a minor pathway that forms CO. Activity is recovered, however, by removing CO with brief air exposure.
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