Cation Dehydration by Surface-Grafted Phenyl Groups for Enhanced C2+ Production in Cu-Catalyzed Electrochemical CO2 Reduction

化学 电化学 电解质 离解(化学) 共价键 碱金属 吸附 乙烯 法拉第效率 脱水 质子化 无机化学 光化学 电解水 水的自电离 金属 制氢 氢键 反应中间体 动力学同位素效应 电化学电位
作者
Miyeon Chang,Suhwan Yoo,Wenchao Ma,Hubert H. Girault,Yun Jeong Hwang,Xile Hu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (37): 34001-34010 被引量:21
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11313
摘要

The challenge to produce multicarbon (C2+) products in high current densities in the electrochemical reduction of carbon dioxide (CO2RR) has motivated intense research. However, the ability of solvated cations to tune and activate water for C2+ production in the CO2RR has been overlooked. In this study, we report the incorporation of a covalently grown layer of functionalized phenyl groups on the Cu surface that leads to a 7-fold increase in ethylene production (to -530 mA cm-2) and a 6-fold increase in C2+ products (to -760 mA cm-2). Our mechanistic study, notably by in situ infrared, isotope effect, and electrochemical impedance spectroscopy, reveals that the surface grafting provokes the reduction of the hydration shell around alkali cations at the electrode-electrolyte interface. This reduction weakens the hydrogen bond network and thus enhances water dissociation to provide a proton for the CO2RR. Moreover, it increases cation density at the outer Helmholtz plane, resulting in a larger local electric field that further stabilizes intermediates en route to C2+ production. Our study brings to light the crucial role of cations in modulating the interfacial water structure, which has to be optimal for efficient C2+ production in CO2RR.
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