Enhancing CO2 Electroreduction to Ethanol on Copper–Silver Composites by Opening an Alternative Catalytic Pathway

催化作用 选择性 氧化还原 乙醇 氧化物 环氧乙烷 氧化铜 乙烯 材料科学 化学 无机化学 法拉第效率 电化学 冶金 电极 有机化学 物理化学 共聚物 聚合物
作者
Louisa Rui Lin Ting,Oriol Piqué,Si Ying Lim,Mohammad Tanhaei,Federico Calle‐Vallejo,Boon Siang Yeo
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (7): 4059-4069 被引量:203
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b05319
摘要

A fundamental question in the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) is how to rationally control the catalytic selectivity. For instance, adding a CO-selective cocatalyst like Ag to Cu shifts the latter's CO2RR selectivity toward C2 products, but the underlying cause of the change is unclear. Herein, we show that, during CO2RR, the abundant CO availability at Cu−Ag boundaries facilitates C-C coupling on Cu to selectively generate ethanol through an otherwise closed pathway. Oxide-derived Cu nanowires mixed with 20 nm Ag particles (Cu:Ag mole ratio of 1:20) catalyzed CO2 reduction to ethanol with a maximum current density of −4.1 mA/cm2 and ethanol/ethylene Faradaic efficiency ratio of 1.1 at −1.1 V vs RHE. These figures of merit are, respectively, 5 and 3 times higher than those for pure oxide-derived Cu nanowires. CO2RR on CuAg composite catalysts with different Ag:Cu ratios and Ag particle sizes reveals that ethanol production scales with the amount of CO evolved from Ag sites and the abundance of Cu–Ag boundaries, and, very interestingly, without significant modifications to ethylene formation. Computational modeling shows selective ethanol generation via Langmuir–Hinshelwood *CO + *CHx (x = 1, 2) coupling at Cu–Ag boundaries and that the formation of energy-intensive CO dimers is circumvented.
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