Engineering Water Molecules Activation Center on Multisite Electrocatalysts for Enhanced CO2 Methanation

化学 催化作用 甲烷化 法拉第效率 离解(化学) 电解质 化学工程 甲烷 质子化 可再生能源 离子 物理化学 有机化学 电极 电气工程 工程类
作者
Shenghua Chen,Zedong Zhang,Wenjun Jiang,Shishi Zhang,Jiexin Zhu,Liqiang Wang,Honghui Ou,Shahid Zaman,Lin Tan,Peng Zhu,Erhuan Zhang,Peng Jiang,Yaqiong Su,Dingsheng Wang,Yadong Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (28): 12807-12815 被引量:104
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03875
摘要

The renewable energy-powered electrolytic reduction of carbon dioxide (CO2) to methane (CH4) using water as a reaction medium is one of the most promising paths to store intermittent renewable energy and address global energy and sustainability problems. However, the role of water in the electrolyte is often overlooked. In particular, the slow water dissociation kinetics limits the proton-feeding rate, which severely damages the selectivity and activity of the methanation process involving multiple electrons and protons transfer. Here, we present a novel tandem catalyst comprising Ir single-atom (Ir1)-doped hybrid Cu3N/Cu2O multisite that operates efficiently in converting CO2 to CH4. Experimental and theoretical calculation results reveal that the Ir1 facilitates water dissociation into proton and feeds to the hybrid Cu3N/Cu2O sites for the *CO protonation pathway toward *CHO. The catalyst displays a high Faradaic efficiency of 75% for CH4 with a current density of 320 mA cm-2 in the flow cell. This work provides a promising strategy for the rational design of high-efficiency multisite catalytic systems.
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