Promoted Electrochemical CO 2 Methanation over Ultrastable Cu(II)-V O Pair Sites in Cu-CeO 2 Catalyst: Water Activation and Intermediate Adsorption Tuning

化学 电化学 法拉第效率 选择性 催化作用 甲烷化 离解(化学) 吸附 解吸 化学工程 无机化学 氧化还原 甲烷 协同催化 空位缺陷 光化学 电极 密度泛函理论 活性炭 多相催化
作者
Min Wang,Yangen Xie,Minghui Fang,Yichi Zhang,Yajuan Wang,Zijun Zhang,Shuaiqiang Jia,Chunjun Chen,Haihong Wu,Mingyuan He,Buxing Han
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (49): 44781-44790 被引量:6
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09230
摘要

Electrochemical CO2 methanation powered by renewable electricity provides a sustainable strategy for producing value-added products, solving global energy problems, and realizing carbon recycling. However, it is hindered by unexpected intermediate desorption and slow water dissociation kinetics, greatly restricting the activity and selectivity of electrochemical CO2 methanation. Here, we designed a Cu-CeO2 catalyst with Cu(II)-oxygen vacancy (VO) pair sites, which shows high activity and selectivity in electrochemical CO2 reduction to methane (CH4). The catalytic system achieves a remarkable CH4 Faradaic efficiency (FE) of 70% with a current density as high as 485 mA cm–2 at −1.1 V vs RHE in the flow cell. A combination of in situ characterizations and theoretical calculation unveiled that the isolated Cu(II) site strongly adsorbs the *CO intermediate, while VO effectively accelerates water dissociation to provide abundant *H. The synergistic effect of isolated Cu(II) sites and VO promotes *CO hydrogenation, resulting in high activity and selectivity of CH4. This work provides valuable insights for the rational design of efficient multisite synergistic catalytic systems.
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