Steering CO2 Electroreduction Selectivity U-Turn to Ethylene by Cu–Si Bonded Interface

化学 催化作用 电化学 选择性 密度泛函理论 乙烯 氧化还原 物理化学 化学工程 无机化学 电极 计算化学 有机化学 工程类
作者
Wanfeng Xiong,Duan‐Hui Si,Hong-Fang Li,Xianmeng Song,Tao Wang,Yuan‐Biao Huang,Tian‐Fu Liu,Teng Zhang,Rong Cao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (1): 289-297 被引量:111
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08867
摘要

Copper (Cu), with the advantage of producing a deep reduction product, is a unique catalyst for the electrochemical reduction of CO2 (CO2RR). Designing a Cu-based catalyst to trigger CO2RR to a multicarbon product and understanding the accurate structure-activity relationship for elucidating reaction mechanisms still remain a challenge. Herein, we demonstrate a rational design of a core-shell structured silica-copper catalyst (p-Cu@m-SiO2) through Cu-Si direct bonding for efficient and selective CO2RR. The Cu-Si interface fulfills the inversion in CO2RR product selectivity. The product ratio of C2H4/CH4 changes from 0.6 to 14.4 after silica modification, and the current density reaches a high of up to 450 mA cm-2. The kinetic isotopic effect, in situ attenuated total reflection Fourier-transform infrared spectra, and density functional theory were applied to elucidate the reaction mechanism. The SiO2 shell stabilizes the *H intermediate by forming Si-O-H and inhibits the hydrogen evolution reaction effectively. Moreover, the direct-bonded Cu-Si interface makes bare Cu sites with larger charge density. Such bare Cu sites and Si-O-H sites stabilized the *CHO and activated the *CO, promoting the coupling of *CHO and *CO intermediates to form C2H4. This work provides a promising strategy for designing Cu-based catalysts with high C2H4 catalytic activity.
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