Copper nanocavities confine intermediates for efficient electrosynthesis of C3 alcohol fuels from carbon monoxide

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作者
Tao‐Tao Zhuang,Yuanjie Pang,Zhi Liang,Ziyun Wang,Yi Li,Chih‐Shan Tan,Jun Li,Cao‐Thang Dinh,Phil De Luna,Pei-Lun Hsieh,Thomas Burdyny,Huihui Li,Mengxia Liu,Yuhang Wang,Fengwang Li,Andrew H. Proppe,Andrew Johnston,Dae‐Hyun Nam,Zhenyu Wu,Ya‐Rong Zheng,Alexander H. Ip,Hairen Tan,Lih‐Juann Chen,Shu‐Hong Yu,Shana O. Kelley,David Sinton,Edward H. Sargent
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:1 (12): 946-951 被引量:404
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0168-4
摘要

The electrosynthesis of higher-order alcohols from carbon dioxide and carbon monoxide addresses the need for the long-term storage of renewable electricity; unfortunately, the present-day performance remains below what is needed for practical applications. Here we report a catalyst design strategy that promotes C3 formation via the nanoconfinement of C2 intermediates, and thereby promotes C2:C1 coupling inside a reactive nanocavity. We first employed finite-element method simulations to assess the potential for the retention and binding of C2 intermediates as a function of cavity structure. We then developed a method of synthesizing open Cu nanocavity structures with a tunable geometry via the electroreduction of Cu2O cavities formed through acidic etching. The nanocavities showed a morphology-driven shift in selectivity from C2 to C3 products during the carbon monoxide electroreduction, to reach a propanol Faradaic efficiency of 21 ± 1% at a conversion rate of 7.8 ± 0.5 mA cm−2 at −0.56 V versus a reversible hydrogen electrode. The production of higher alcohols is very valuable because of their high volumetric energy density. Now, Sargent, Sinton and co-workers report the design of copper nanoparticles with tailored nanocavities that promote n-propanol formation by the coupling of C2 and C1 intermediates inside the cavity.
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