Pb-rich Cu grain boundary sites for selective CO-to-n-propanol electroconversion

催化作用 法拉第效率 吸附 晶界 电化学 材料科学 一氧化碳 化学工程 电极 无机化学 化学 物理化学 有机化学 冶金 微观结构 工程类
作者
Wenzhe Niu,Zheng Chen,Wen Guo,Wei Mao,Yi Liu,Yunna Guo,Jingzhao Chen,Rui Huang,Lin Kang,Yiwen Ma,Qisheng Yan,Jinyu Ye,Chunyu Cui,Liqiang Zhang,Peng Wang,Xin Xu,Bo Zhang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:39
标识
DOI:10.1038/s41467-023-40689-w
摘要

Electrochemical carbon monoxide (CO) reduction to high-energy-density fuels provides a potential way for chemical production and intermittent energy storage. As a valuable C3 species, n-propanol still suffers from a relatively low Faradaic efficiency (FE), sluggish conversion rate and poor stability. Herein, we introduce an "atomic size misfit" strategy to modulate active sites, and report a facile synthesis of a Pb-doped Cu catalyst with numerous atomic Pb-concentrated grain boundaries. Operando spectroscopy studies demonstrate that these Pb-rich Cu-grain boundary sites exhibit stable low coordination and can achieve a stronger CO adsorption for a higher surface CO coverage. Using this Pb-Cu catalyst, we achieve a CO-to-n-propanol FE (FEpropanol) of 47 ± 3% and a half-cell energy conversion efficiency (EE) of 25% in a flow cell. When applied in a membrane electrode assembly (MEA) device, a stable FEpropanol above 30% and the corresponding full-cell EE of over 16% are maintained for over 100 h with the n-propanol partial current above 300 mA (5 cm2 electrode). Furthermore, operando X-ray absorption spectroscopy and theoretical studies reveal that the structurally-flexible Pb-Cu surface can adaptively stabilize the key intermediates, which strengthens the *CO binding while maintaining the C-C coupling ability, thus promoting the CO-to-n-propanol conversion.
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