Operando Constructing Cu/Cu2O Electrocatalysts for Efficient CO2 Electroreduction to Ethanol: CO2-Assisted Structural Evolution of Octahedral Cu2O by Operando CV Activation

催化作用 八面体 循环伏安法 吸附 选择性 化学 材料科学 金属 结晶学 电化学 无机化学 化学工程 物理化学 电极 晶体结构 冶金 工程类 有机化学
作者
Yong Yang,Anbang He,Hui Li,Qian Zou,Zuohua Liu,Changyuan Tao,Jun Du
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (20): 12942-12953 被引量:29
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c03833
摘要

Oxide-derived Cu (OD-Cu) exhibits unique and excellent C2 product selectivity (ethanol, ethylene, etc.) in the field of electrocatalytic reduction reaction of CO2 (eCO2RR), which has a great application value in realizing effective storage of renewable energy and the artificial closed carbon cycle. However, the Cu2O structure encounters complex structure evolution under negative potential conditions, making it difficult to obtain the specific active structures. Here, we found an operando activation strategy for the OD-Cu catalyst based on the cyclic voltammetry (CV) process conducted in CO2-saturated solution. Assisted by an interval eCO2RR, the sluggish octahedral–Cu2O (o-Cu2O) evolves into active Cu/Cu2O–CV, with the formed "metallic Cu" uniformly anchoring on o-Cu2O and accompanied by rich Cuδ+–Cu0 grain boundaries. Combined with in situ and ex situ characterization, compared to o-Cu2O, Cu/Cu2O–CV significantly promoted the formation of C2 products (FEC2 increased from 17.13 to 73.44%). By enhancing the adsorption of CO* and subsequently the formation of O*C*COH intermediates, the Faraday efficiency for ethanol was significantly improved from 5.15% (on o-Cu2O) to 56.56% (on Cu/Cu2O–CV). Our study provides evidence for a previously unexplored function of CO2 in the evolution of o-Cu2O catalysts into highly active structures for the generation of multicarbon products, opening a pathway for the rational design of future catalysts for the electrochemical reduction of CO2.
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