Increasing CO Binding Energy and Defects by Preserving Cu Oxidation State via O2-Plasma-Assisted N Doping on CuO Enables High C2+ Selectivity and Long-Term Stability in Electrochemical CO2 Reduction

选择性 催化作用 兴奋剂 氧化还原 氧化态 氧气 材料科学 无机化学 结合能 电化学 化学 物理化学 电极 有机化学 光电子学 物理 核物理学
作者
Dong Gyu Park,Jae Won Choi,Hoje Chun,Hae Sung Jang,Heebin Lee,Won Ho Choi,Byeong Cheul Moon,Keon‐Han Kim,Min Gyu Kim,Kyung Min Choi,Byungchan Han,Jeung Ku Kang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (13): 9222-9233 被引量:75
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c01441
摘要

Cu is considered as the most promising catalyst for the electrochemical carbon dioxide reduction reaction (CO2RR) to produce C2+ hydrocarbons, but achieving high C2+ product selectivity and efficiency with long-term stability remains one of great challenges. Herein, we report a strategy to realize the CO2RR catalyst allowing high C2+ product selectivity and stable catalytic properties by utilizing the benefits of oxygen-plasma-assisted nitrogen doping on CuO. It is exhibited that the defects such as oxygen vacancies and grain boundaries suitable for CO2RR are generated by N2 plasma radicals on CuO. Also, the oxidation state of Cu is maintained without Cu reduction by O2 plasma. Indeed, ON–CuO synthesized through oxygen-plasma-assisted nitrogen doping is demonstrated to enable a high C2+ product selectivity of 77% (including a high C2H4 selectivity of 56%) with a high current density of −34.6 mA/cm2 at −1.1 V vs RHE, as well as a long-term stability for 22 h without performance degradation. High CO2RR performances are ascribed to the increased CO binding energy and catalytic sites in N-doped CuO. Furthermore, an in situ X-ray absorption near-edge structure analysis reveals that the defects in ON–CuO are favorable for C–C coupling leading to C2+ products.
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