Accelerating multielectron reduction at CuxO nanograins interfaces with controlled local electric field

电化学 离子 材料科学 动力学 化学物理 无机化学 化学工程 化学 电极 物理化学 有机化学 物理 量子力学 工程类
作者
Weihua Guo,Siwei Zhang,Junjie Zhang,Haoran Wu,Yangbo Ma,Yun Mi Song,Le Cheng,Liang Chang,Geng Li,Yong Liu,Guodan Wei,Lin Gan,Minghui Zhu,Shibo Xi,Xue Wang,Boris I. Yakobson,Ben Zhong Tang,Ruquan Ye
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:50
标识
DOI:10.1038/s41467-023-43303-1
摘要

Regulating electron transport rate and ion concentrations in the local microenvironment of active site can overcome the slow kinetics and unfavorable thermodynamics of CO2 electroreduction. However, simultaneous optimization of both kinetics and thermodynamics is hindered by synthetic constraints and poor mechanistic understanding. Here we leverage laser-assisted manufacturing for synthesizing CuxO bipyramids with controlled tip angles and abundant nanograins, and elucidate the mechanism of the relationship between electron transport/ion concentrations and electrocatalytic performance. Potassium/OH- adsorption tests and finite element simulations corroborate the contributions from strong electric field at the sharp tip. In situ Fourier transform infrared spectrometry and differential electrochemical mass spectrometry unveil the dynamic evolution of critical *CO/*OCCOH intermediates and product profiles, complemented with theoretical calculations that elucidate the thermodynamic contributions from improved coupling at the Cu+/Cu2+ interfaces. Through modulating the electron transport and ion concentrations, we achieve high Faradaic efficiency of 81% at ~900 mA cm-2 for C2+ products via CO2RR. Similar enhancement is also observed for nitrate reduction reaction (NITRR), achieving 81.83 mg h-1 ammonia yield rate per milligram catalyst. Coupling the CO2RR and NITRR systems demonstrates the potential for valorizing flue gases and nitrate wastes, which suggests a practical approach for carbon-nitrogen cycling.
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