Quasi-graphitic carbon shell-induced Cu confinement promotes electrocatalytic CO2 reduction toward C2+ products

法拉第效率 电催化剂 材料科学 电化学 催化作用 选择性 化学工程 纳米颗粒 兴奋剂 纳米技术 化学 电极 物理化学 光电子学 有机化学 工程类
作者
Ji-Yong Kim,Deokgi Hong,Jae-Chan Lee,Hyoung Gyun Kim,Sung‐Woo Lee,Sangyong Shin,Beomil Kim,Hyunjoo Lee,Miyoung Kim,Jihun Oh,Gun‐Do Lee,Dae‐Hyun Nam,Young‐Chang Joo
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:173
标识
DOI:10.1038/s41467-021-24105-9
摘要

Abstract For steady electroconversion to value-added chemical products with high efficiency, electrocatalyst reconstruction during electrochemical reactions is a critical issue in catalyst design strategies. Here, we report a reconstruction-immunized catalyst system in which Cu nanoparticles are protected by a quasi-graphitic C shell. This C shell epitaxially grew on Cu with quasi-graphitic bonding via a gas–solid reaction governed by the CO (g) - CO 2 (g) - C (s) equilibrium. The quasi-graphitic C shell-coated Cu was stable during the CO 2 reduction reaction and provided a platform for rational material design. C 2+ product selectivity could be additionally improved by doping p -block elements. These elements modulated the electronic structure of the Cu surface and its binding properties, which can affect the intermediate binding and CO dimerization barrier. B-modified Cu attained a 68.1% Faradaic efficiency for C 2 H 4 at −0.55 V (vs RHE) and a C 2 H 4 cathodic power conversion efficiency of 44.0%. In the case of N-modified Cu, an improved C 2+ selectivity of 82.3% at a partial current density of 329.2 mA/cm 2 was acquired. Quasi-graphitic C shells, which enable surface stabilization and inner element doping, can realize stable CO 2 -to-C 2 H 4 conversion over 180 h and allow practical application of electrocatalysts for renewable energy conversion.

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