Steering Electrochemical CO2 Reduction Selectivity toward CH4 or C2H4 on N-Doped Carbon-Coated Cu/Cu2O Composite Catalysts

选择性 电化学 催化作用 材料科学 碳纤维 兴奋剂 电催化剂 化学 无机化学 分析化学(期刊) 物理化学 电极 光电子学 复合数 生物化学 复合材料 色谱法
作者
Feifei Li,Hossain Tariq,Huaqian Yang,Yuyang Cao,Zhou Tang,Gongwei Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (20): 15088-15095 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c04589
摘要

Understanding the catalytic mechanism is crucial for the rational design of efficient catalysts. However, the dynamic reconstruction of copper (Cu) catalysts under harsh electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) conditions poses great challenges for studying the mechanism. Herein, we prepared a series of N-doped carbon-coated Cu/Cu2O composite catalysts with varying Cu/Cu2O ratios and N-doping levels by annealing copper acetylacetonate (Cu(acac)2) with different amounts of potassium nitrate (KNO3), which can steer CO2RR toward either CH4 or C2+ (mainly C2H4) production. The in situ formed carbon layer effectively stabilized the Cu catalyst structures under cathode potentials, facilitating mechanistic studies of CO2RR. Through CO temperature-programmed desorption (TPD) and in situ infrared spectroscopy characterizations, it is revealed that the coexistence of Cu0 and Cu+ sites promoted the generation of a high-coverage, strongly adsorbed *CO intermediate on the catalytic surface, thereby enhancing C–C coupling to generate C2+ products. Conversely, the surface with only Cu0 sites exhibited a low-coverage and weakly adsorbed *CO, benefiting its hydrogenation/deoxygenation toward CH4 production.
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