Simultaneous High Current Density and Selective Electrocatalytic CO2‐to‐CH4 through Intermediate Balancing

法拉第效率 选择性 电合成 催化作用 联轴节(管道) 电流密度 电化学 工作(物理) 化学 材料科学 化学工程 电极 物理化学 有机化学 热力学 物理 量子力学 工程类 冶金
作者
Bilu Liu,Shuqi Hu,Yumo Chen,Zhiyuan Zhang,Heming Liu,Xin Kang,Jiarong Liu,Shanlin Li,Yuting Luo
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202423915
摘要

The electrochemical reduction of CO2 to CH4 is promising for carbon neutrality and renewable energy storage but confronts low CH4 selectivity, especially at high current densities. The key challenge lies in promoting *CO intermediate and *H coupling while minimizing side reactions including C‐C coupling or H‐H coupling, which is particularly difficult at high current density due to abundant intermediates. Here we report a cooperative strategy to address this challenge using Cu‐based catalysts comprising Cu‐N coordination polymer and CuO component that can simultaneously manage the key intermediates *CO and *H. A fast CO2‐to‐CH4 conversion rate of 3.14 mmol cm‐2 h‐1 is achieved at 1,300 mA cm−2 with a Faradaic efficiency of 51.7%. In‐situ spectroscopy and theoretical calculations show that the increased Cu‐Cu distance in the Cu‐N coordination polymer component favors multistep *CO hydrogenation over the dimerization, and the CuO component ensures an adequate supply of *H, together contributing to the selective CO2‐to‐CH4 conversion at high current densities. This work develops a cooperative strategy for the electrosynthesis of CH4 with simultaneous high current density and high selectivity by rational catalyst design, paving the way for its applications.
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