Investigation and mitigation of degradation mechanisms in Cu2O photoelectrodes for CO2 reduction to ethylene

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作者
Guiji Liu,Fan Zheng,Junrui Li,Guosong Zeng,Yifan Ye,David M. Larson,Junko Yano,Ethan J. Crumlin,Joel W. Ager,Lin‐Wang Wang,Francesca M. Toma
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:6 (12): 1124-1132 被引量:141
标识
DOI:10.1038/s41560-021-00927-1
摘要

The chemical transformations that occur in metal oxides under operating conditions limit their applications for artificial photosynthesis. Understanding these chemical changes is a prerequisite to achieve sustainable production of solar fuels and chemicals. Herein, we use a correlative approach to unravel how cuprous oxide (Cu2O) photoelectrodes change under reaction conditions and, consequently, provide a protection scheme to mitigate degradation. In agreement with theoretical predictions, we find that under illumination the Cu2O concurrently undergoes reduction by photoelectrons and oxidation by holes in the material at electrolyte-dependent degradation rates. These mechanistic insights led us to design a protection scheme that uses a silver catalyst to accelerate transfer of photogenerated electrons and a Z-scheme heterojunction to extract holes. The resulting photocathode exhibits a stable photocurrent for CO2 reduction with ~60% Faradaic efficiency for ethylene with a balance of hydrogen for hours, whereas bare Cu2O degrades within minutes.
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