Constraining CO coverage on copper promotes high-efficiency ethylene electroproduction

乙烯 氧合物 选择性 法拉第效率 电解质 化学 乙二醇 材料科学 化学工程 催化作用 无机化学 有机化学 电极 物理化学 工程类
作者
Jun Li,Ziyun Wang,Christopher McCallum,Yi Xu,Fengwang Li,Yuhang Wang,Christine M. Gabardo,Cao‐Thang Dinh,Tao‐Tao Zhuang,Liang Wang,Jane Y. Howe,Yang Ren,Edward H. Sargent,David Sinton
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:2 (12): 1124-1131 被引量:372
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0380-x
摘要

The availability of inexpensive industrial CO gas streams motivates efficient electrocatalytic upgrading of CO to higher-value feedstocks such as ethylene. However, the electrosynthesis of ethylene by the CO reduction reaction (CORR) has suffered from low selectivity and energy efficiency. Here we find that the recent strategy of increasing performance through use of highly alkaline electrolyte—which is very effective in CO2RR—fails in CORR and drives the reaction to acetate. We then observe that ethylene selectivity increases when we constrain (decrease) CO availability. Using density functional theory, we show how CO coverage on copper influences the reaction pathways of ethylene versus oxygenate: lower CO coverage stabilizes the ethylene-relevant intermediates whereas higher CO coverage favours oxygenate formation. We then control local CO availability experimentally by tuning the CO concentration and reaction rate; we achieve ethylene Faradaic efficiencies of 72% and a partial current density of >800 mA cm−2. The overall system provides a half-cell energy efficiency of 44% for ethylene production. The electrocatalytic upgrading of CO to higher-value feedstocks provides a promising route to multicarbon products. Here, the authors show that high ethylene selectivity can be achieved by constraining CO availability on copper, with an ethylene Faradaic efficiency of 72% and a partial current density of >800 mA cm−2.
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