Stabilizing Cu2+ Ions by Solid Solutions to Promote CO2 Electroreduction to Methane

化学 催化作用 吸附 法拉第效率 甲烷 无机化学 密度泛函理论 水溶液中的金属离子 金属 离子 固溶体 氧化还原 电化学 物理化学 电极 计算化学 有机化学
作者
Xianlong Zhou,Jieqiong Shan,Ling Chen,Bao Yu Xia,Tao Ling,Jingjing Duan,Yan Jiao,Yao Zheng,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (5): 2079-2084 被引量:253
标识
DOI:10.1021/jacs.1c12212
摘要

Copper is the only metal catalyst that can perform the electrocatalytic CO2 reduction reaction (CRR) to produce hydrocarbons and oxygenates. Its surface oxidation state determines the reaction pathway to various products. However, under the cathodic potential of CRR conditions, the chemical composition of most Cu-based catalysts inevitably undergoes electroreduction from Cu2+ to Cu0 or Cu1+ species, which is generally coupled with phase reconstruction and the formation of new active sites. Since the initial Cu2+ active sites are hard to retain, there have been few studies about Cu2+ catalysts for CRR. Herein we propose a solid-solution strategy to stabilize Cu2+ ions by incorporating them into a CeO2 matrix, which works as a self-sacrificing ingredient to protect Cu2+ active species. In situ spectroscopic characterization and density functional theory calculations reveal that compared with the conventionally derived Cu catalysts with Cu0 or Cu1+ active sites, the Cu2+ species in the solid solution (Cu-Ce-Ox) can significantly strengthen adsorption of the *CO intermediate, facilitating its further hydrogenation to produce CH4 instead of dimerization to give C2 products. As a result, different from most of the other Cu-based catalysts, Cu-Ce-Ox delivered a high Faradaic efficiency of 67.8% for CH4 and a low value of 3.6% for C2H4.
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