Steering CO 2 electroreduction pathway toward ethanol via surface-bounded hydroxyl species-induced noncovalent interaction

乙醇 化学 有界函数 非共价相互作用 立体化学 生物物理学 分子 有机化学 生物化学 氢键 生物 数学 数学分析
作者
Jiawei Zhang,Gangming Zeng,Shangqian Zhu,Haolan Tao,Yue Pan,Wenchuan Lai,Jun Bao,Cheng Lian,Dong Su,Minhua Shao,Hongwen Huang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (11) 被引量:23
标识
DOI:10.1073/pnas.2218987120
摘要

Selective electroreduction of carbon dioxide (CO2RR) into ethanol at an industrially relevant current density is highly desired. However, it is challenging because the competing ethylene production pathway is generally more thermodynamically favored. Herein, we achieve a selective and productive ethanol production over a porous CuO catalyst that presents a high ethanol Faradaic efficiency (FE) of 44.1 ± 1.0% and an ethanol-to-ethylene ratio of 1.2 at a large ethanol partial current density of 501.0 ± 15.0 mA cm-2, in addition to an extraordinary FE of 90.6 ± 3.4% for multicarbon products. Intriguingly, we found a volcano-shaped relationship between ethanol selectivity and nanocavity size of porous CuO catalyst in the range of 0 to 20 nm. Mechanistic studies indicate that the increased coverage of surface-bounded hydroxyl species (*OH) associated with the nanocavity size-dependent confinement effect contributes to the remarkable ethanol selectivity, which preferentially favors the *CHCOH hydrogenation to *CHCHOH (ethanol pathway) via yielding the noncovalent interaction. Our findings provide insights in favoring the ethanol formation pathway, which paves the path toward rational design of ethanol-oriented catalysts.
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