Key intermediates and Cu active sites for CO2 electroreduction to ethylene and ethanol

乙烯 拉曼光谱 电化学 乙醇 选择性 化学 材料科学 组合化学 化学工程 纳米技术 光化学 电极 催化作用 有机化学 物理 物理化学 光学 工程类
作者
Chao Zhan,Federico Dattila,Clara Rettenmaier,Antonia Herzog,Matías Herran,T. Wagner,Fabian Scholten,Arno Bergmann,Núria López,Beatriz Roldán Cuenya
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:9 (12): 1485-1496 被引量:57
标识
DOI:10.1038/s41560-024-01633-4
摘要

Abstract Electrochemical reduction of CO 2 (CO 2 RR) to multi-carbon products is a promising technology to store intermittent renewable electricity into high-added-value chemicals and close the carbon cycle. Its industrial scalability requires electrocatalysts to be highly selective to certain products, such as ethylene or ethanol. However, a substantial knowledge gap prevents the design of tailor-made materials, as the properties ruling the catalyst selectivity remain elusive. Here we combined in situ surface-enhanced Raman spectroscopy and density functional theory on Cu electrocatalysts to unveil the reaction scheme for CO 2 RR to C 2+ products. Ethylene generation occurs when *OC–CO(H) dimers form via CO coupling on undercoordinated Cu sites. The ethanol route opens up only in the presence of highly compressed and distorted Cu domains with deep s -band states via the crucial intermediate *OCHCH 2 . By identifying and tracking the critical intermediates and specific active sites, our work provides guidelines to selectively decouple ethylene and ethanol production on rationally designed catalysts.
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