Electrocatalytic CO2-to-C2+ with Ampere-Level Current on Heteroatom-Engineered Copper via Tuning *CO Intermediate Coverage

杂原子 化学 催化作用 电解 法拉第效率 吸附 本体电解 电化学 密度泛函理论 无机化学 电流密度 析氧 电极 物理化学 计算化学 有机化学 戒指(化学) 物理 量子力学 电解质
作者
Min Zheng,Pengtang Wang,Xing Zhi,Kang Yang,Yan Jiao,Jingjing Duan,Yao Zheng,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (32): 14936-14944 被引量:231
标识
DOI:10.1021/jacs.2c06820
摘要

An ampere-level current density of CO2 electrolysis is critical to realize the industrial production of multicarbon (C2+) fuels. However, under such a large current density, the poor CO intermediate (*CO) coverage on the catalyst surface induces the competitive hydrogen evolution reaction, which hinders CO2 reduction reaction (CO2RR). Herein, we report reliable ampere-level CO2-to-C2+ electrolysis by heteroatom engineering on Cu catalysts. The Cu-based compounds with heteroatom (N, P, S, O) are electrochemically reduced to heteroatom-derived Cu with significant structural reconstruction under CO2RR conditions. It is found that N-engineered Cu (N-Cu) catalyst exhibits the best CO2-to-C2+ productivity with a remarkable Faradaic efficiency of 73.7% under -1100 mA cm-2 and an energy efficiency of 37.2% under -900 mA cm-2. Particularly, it achieves a C2+ partial current density of -909 mA cm-2 at -1.15 V versus reversible hydrogen electrode, which outperforms most reported Cu-based catalysts. In situ spectroscopy indicates that heteroatom engineering adjusts *CO adsorption on Cu surface and alters the local H proton consumption in solution. Density functional theory studies confirm that the high adsorption strength of *CO on N-Cu results from the depressed HER and promoted *CO adsorption on both bridge and atop sites of Cu, which greatly reduces the energy barrier for C-C coupling.
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