Coverage enhancement accelerates acidic CO2 electrolysis at ampere-level current with high energy and carbon efficiencies

电解 法拉第效率 甲酸 催化作用 可再生能源 电化学 材料科学 傅里叶变换红外光谱 化学工程 化学 电极 有机化学 电解质 工程类 电气工程 物理化学
作者
Xiaohan Yu,Yuting Xu,Le Li,Mingzhe Zhang,Wenfeng Qin,Fanglin Che,Miao Zhong
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45988-4
摘要

Acidic CO2 electroreduction (CO2R) using renewable electricity holds promise for high-efficiency generation of storable liquid chemicals with up to 100% CO2 utilization. However, the strong parasitic hydrogen evolution reaction (HER) limits its selectivity and energy efficiency (EE), especially at ampere-level current densities. Here we present that enhancing CO2R intermediate coverage on catalysts promotes CO2R and concurrently suppresses HER. We identified and engineered robust Cu6Sn5 catalysts with strong *OCHO affinity and weak *H binding, achieving 91% Faradaic efficiency (FE) for formic acid (FA) production at 1.2 A cm-2 and pH 1. Notably, the single-pass carbon efficiency reaches a new benchmark of 77.4% at 0.5 A cm-2 over 300 hours. In situ electrochemical Fourier-transform infrared spectroscopy revealed Cu6Sn5 enhances *OCHO coverage ~2.8× compared to Sn at pH 1. Using a cation-free, solid-state-electrolyte-based membrane-electrode-assembly, we produce 0.36 M pure FA at 88% FE over 130 hours with a marked full-cell EE of 37%.
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