Plasmonic-Promoted Formation of Surface Adsorbed Stochastic CO during Electrochemical CO2 and CO Reduction on Cu at Extreme Low Overpotentials

化学 电化学 吸附 还原(数学) 等离子体子 化学物理 光化学 电极 无机化学 物理化学 光电子学 几何学 数学 物理
作者
Jianyang Zang,Wentao Ye,Qiliang Liu,Jinhui Meng,Wenxing Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (12): 10260-10267 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.4c16579
摘要

Reducing the formation overpotential of key reaction intermediates represents a major challenge in developing broad electrocatalytic reactions. Recent vibrational spectroscopic studies of electrochemical CO2 or CO reduction reaction (CO(2)RR) characterized an interesting formation of stochastic CO (COstochastic) intermediate with negligible energy losses under certain circumstances. Yet, the precise formation conditions and mechanisms remain unclear, hindering the correct understanding of related spectroscopic results and utilization of these effects to develop the CO(2)RR and other electrocatalytic reactions. Herein, we combine in situ attenuated total reflection infrared absorption (ATR-IR) and Raman spectroscopies to systematically study the origins and generation mechanisms of these COstochastic. We reveal for the first time that the COstochastic originates from plasmonic excitation of Cu by laser excitation and exists only in in situ Raman but not in ATR-IR measurements utilizing the exact same catalysts and electrochemical cell. Both the illumination wavelength and the fluence are important for the formation of COstochastic. Furthermore, the surface speciation of the catalyst, i.e., the copresence of mixed metallic Cu0 and Cu+ states, is discovered to be crucial for the formation of COstochastic. These results demonstrate that mechanistic studies of the CO(2)RR and other electrocatalytic reactions utilizing in situ Raman spectroscopy must carefully control the excitation fluence to avoid signals due to plasmonic excitations of the catalysts other than the electrochemical processes. Meanwhile, plasmon-enhanced electrochemistry, although still impractical for promoting CO2RR under ordinary illumination, may inspire new strategies for designing light-driven electrochemical reactions at extremely low overpotentials.
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