Rapid and Scalable Synthesis of Cuprous Halide-Derived Copper Nano-Architectures for Selective Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide

过电位 卤化物 二氧化碳电化学还原 电化学 选择性 催化作用 材料科学 化学 化学工程 无机化学 纳米技术 有机化学 电极 物理化学 一氧化碳 工程类
作者
Huan Wang,Edward Matios,Chuanlong Wang,Jianmin Luo,Xuan Lu,Xiaofei Hu,Weiyang Li
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:19 (6): 3925-3932 被引量:119
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b01197
摘要

Electrochemical reduction of carbon dioxide (CO2) into value-added chemicals and fuels provides a promising pathway for environmental and energy sustainability. Copper (Cu) demonstrates a unique ability to catalyze the electrochemical conversion of CO2 into valuable multicarbon products. However, developing a rapid, scalable and cost-effective method to synthesize efficient and stable Cu catalysts with high selectivity toward multicarbon products at a low overpotential is still hard to achieve and highly desirable. In this work, we present a facile wet chemistry approach to yield well-defined cuprous halide (CuX, X = Cl, Br or I) microcrystals with different degrees of truncations at edges/vertices, which can be ascribed to the oxidative etching mechanism of halide ions. More importantly, the as-obtained cuprous halides can be electrochemically transformed into varied Cu nanoarchitectures, thus exhibiting distinct CO2 reduction behaviors. The CuI-derived Cu nanofibers composed of self-assembled nanoparticles are reported for the first time, which favor the formation of C2+3 products at a low overpotential with a particular selectivity toward ethane. In comparison, the Cu nanocubes evolved from CuCl are highly selective toward C1 products. For CuBr-derived Cu nanodendrites, C1 products are subject to form at a low overpotential, while C2+3 products gradually become dominant with a favorable formation of ethylene when the potential turns more negative. This work explicitly reveals the critical morphology effect of halide-derived Cu nanostructures on the CO2 product selectivity, and also provides an ideal platform to investigate the structure–property relationship for CO2 electroreduction.
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