In Situ Dynamic Construction of a Copper Tin Sulfide Catalyst for High-Performance Electrochemical CO2 Conversion to Formate

催化作用 法拉第效率 电化学 硫化物 选择性 格式化 材料科学 无机化学 硫化铜 化学工程 化学 电极 冶金 物理化学 有机化学 工程类
作者
Ké Li,Jingwen Xu,Tingting Zheng,Yuan Yuan,Shuang Liu,Shiou–Ying Cheng,Taoli Jiang,Jifei Sun,Zaichun Liu,Yan Xu,Mingyan Chuai,Chuan Xia,Wei Chen
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (16): 9922-9932 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c02627
摘要

Electrochemical reduction of CO2 to produce fuels and chemicals is one of the most valuable approaches to achieve a carbon-neutral cycle. Recently, a diversity of catalysts have been developed to improve their intrinsic activity and efficiency. However, the dynamic evolution process and the in situ construction behavior of electrocatalysts under the working conditions are typically ignored. Here, we fully reveal the dynamic reduction process and phase transformation of a copper tin sulfide catalyst reconstructed by in situ reduction of the precatalyst Cu2SnS3 and CuS during electrochemical CO2 reduction. Furthermore, the reconstructed catalyst reaches an outstanding electrochemical CO2-to-formate conversion with a high Faradaic efficiency of 96.4% at an impressive production rate of 124889.9 μmol mg–1 h–1 under a partial current density of −241 mA cm–2 (−669.4 A g–1) in a flow-cell reactor. Theoretical calculations further demonstrate the strong charge interaction between the adsorbate and substrate to accelerate the charge transfer and decrease the formation energies of OCHO* and HCOOH* intermediates in the pathway of CO2 to HCOOH, resulting in high selectivity for formate on the surface of the copper tin sulfide catalyst. This work paves the way for revealing the in situ dynamic process of the reconstructed catalyst and designing optimal catalysts with high catalytic activity and selectivity.
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