Localized Alkaline Environment via In Situ Electrostatic Confinement for Enhanced CO2-to-Ethylene Conversion in Neutral Medium

化学 乙烯 电解质 选择性 电合成 催化作用 无机化学 氧化还原 碱金属 电化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Zihong Wang,Yecheng Li,Xin Zhao,Shunqiang Chen,Qingshun Nian,Xuan Luo,Jiajia Fan,Digen Ruan,Bingqing Xiong,Xiaodi Ren
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (11): 6339-6348 被引量:112
标识
DOI:10.1021/jacs.2c13384
摘要

Electrocatalytic CO2 reduction reaction (CO2RR) is one of the most promising routes to facilitate carbon neutrality. An alkaline electrolyte is typically needed to promote the production of valuable multi-carbon molecules (such as ethylene). However, the reaction between CO2 and OH- consumes a significant quantity of CO2/alkali and causes the rapid decay of CO2RR selectivity and stability. Here, we design a catalyst-electrolyte interface with an effective electrostatic confinement of in situ generated OH- to improve ethylene electrosynthesis from CO2 in neutral medium. In situ Raman measurements indicate the direct correlation between ethylene selectivity and the intensities of surface Cu-CO and Cu-OH species, suggesting the promoted C-C coupling with the surface enrichment of OH-. Thus, we report a CO2-to-ethylene Faradaic efficiency (FE) of 70% and a partial current density of 350 mA cm-2 at -0.89 V vs the reversible hydrogen electrode. Furthermore, the system demonstrated a 50 h stable operation at 300 mA cm-2 with an average ethylene FE of ∼68%. This study offers a universal strategy to tune the reaction micro-environment, and a significantly improved ethylene FE of 64.5% was obtained even in acidic electrolytes (pH = 2).
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