Proton sponge promotion of electrochemical CO2 reduction to multi-carbon products

密度泛函理论 质子化 解吸 吸附 催化作用 电化学 材料科学 电极 电解质 物理化学 化学工程 化学 无机化学 计算化学 有机化学 离子 工程类
作者
Lei Fan,Chun-Yen Liu,Peng Zhu,Chuan Xia,Xiao Zhang,Zhenyu Wu,Yingying Lü,Thomas P. Senftle,Haotian Wang
出处
期刊:Joule [Elsevier]
卷期号:6 (1): 205-220 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.joule.2021.12.002
摘要

High alkaline electrolytes have shown the potential to promote high-value C2+ products in the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR), but the practical application is challenged by their strong CO2 absorption with the electrolyte to form carbonate. By modifying the Cu catalyst surface with water-insoluble organosuperbases, such as thebis(dimethylamino)naphthalene “proton sponge,” here, we change the interfacial microenvironment to stabilize adsorbed CO through a locally enhanced electrostatic field while maintaining a neutral pH electrolyte. Molecular dynamics (MD) with a reactive force field and density functional theory (DFT) calculations show that the CO intermediate is stabilized on the Cu surface by protonated organosuperbases, which promotes C2+ product formation over CO desorption. The organosuperbase-modified commercial Cu nanoparticle presented a 20-fold improvement in C2+ to C1 ratio compared with its pristine performance, delivering a maximal C2+ faradic efficiency of ∼80% and large partial current of over 270 mA cm−2 in neutral electrolyte.
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