Steering the Dynamics of Reaction Intermediates and Catalyst Surface during Electrochemical Pulsed CO2 Reduction for Enhanced C2+ Selectivity

化学 选择性 电解 电催化剂 电化学 催化作用 氧化还原 无机化学 本体电解 电极 循环伏安法 物理化学 有机化学 电解质
作者
Zhuofeng Li,Linqin Wang,Tao Wang,Licheng Sun,Wenxing Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (37): 20655-20664 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.3c08005
摘要

Developing alternative electrolysis techniques is crucial for advancing electrocatalysis in addition to tremendous efforts of material developments. Recently, pulse electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) has demonstrated dramatic selectivity improvement toward multicarbon (C2+) products compared to potentiostatic electrochemical CO2RR, yet the underlying mechanisms remain little understood. Herein, we develop a fast time-resolved in situ Raman spectroscopic method with a time resolution of 0.25 s. We reveal that pulse electrolysis improves the C2+ selectivity of CO2RR through dynamic controls of the surface CuxO/Cu composition that would be unachievable under potentiostatic electrolysis. The population of the surface-adsorbed CO intermediate (COads) is characterized to be the determining factor in controlling reaction selectivity, which depicts the C2+/C1 selectivity of CO2RR under pulse conditions. Meanwhile, the vibrational character of COads, despite transforming dynamically between the low-frequency and high-frequency modes is characterized not to be the key factor in controlling the reaction selectivity. Such an active control of catalyst surface compositions and reaction intermediates enabled by pulse electrolysis offer a general way of regulating the electrocatalysis performance of broad electrochemical reactions beyond CO2RR.
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