Operando studies reveal active Cu nanograins for CO2 electroreduction

材料科学 纳米技术 化学
作者
Yao Yang,Sheena Louisia,Sunmoon Yu,Jianbo Jin,Inwhan Roh,Chubai Chen,Maria V. Fonseca Guzman,Julian Feijóo,Pengcheng Chen,Hongsen Wang,Christopher J. Pollock,Xin Huang,Yu‐Tsun Shao,Cheng Wang,David A. Muller,Héctor D. Abruña,Peidong Yang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:614 (7947): 262-269 被引量:765
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05540-0
摘要

Carbon dioxide electroreduction facilitates the sustainable synthesis of fuels and chemicals1. Although Cu enables CO2-to-multicarbon product (C2+) conversion, the nature of the active sites under operating conditions remains elusive2. Importantly, identifying active sites of high-performance Cu nanocatalysts necessitates nanoscale, time-resolved operando techniques3-5. Here, we present a comprehensive investigation of the structural dynamics during the life cycle of Cu nanocatalysts. A 7 nm Cu nanoparticle ensemble evolves into metallic Cu nanograins during electrolysis before complete oxidation to single-crystal Cu2O nanocubes following post-electrolysis air exposure. Operando analytical and four-dimensional electrochemical liquid-cell scanning transmission electron microscopy shows the presence of metallic Cu nanograins under CO2 reduction conditions. Correlated high-energy-resolution time-resolved X-ray spectroscopy suggests that metallic Cu, rich in nanograin boundaries, supports undercoordinated active sites for C-C coupling. Quantitative structure-activity correlation shows that a higher fraction of metallic Cu nanograins leads to higher C2+ selectivity. A 7 nm Cu nanoparticle ensemble, with a unity fraction of active Cu nanograins, exhibits sixfold higher C2+ selectivity than the 18 nm counterpart with one-third of active Cu nanograins. The correlation of multimodal operando techniques serves as a powerful platform to advance our fundamental understanding of the complex structural evolution of nanocatalysts under electrochemical conditions.
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