Nanograin-Boundary-Abundant Cu2O-Cu Nanocubes with High C2+ Selectivity and Good Stability during Electrochemical CO2 Reduction at a Current Density of 500 mA/cm2

催化作用 电化学 材料科学 电催化剂 铜 电流密度 金属 化学工程 氧化还原 电极 化学 物理化学 冶金 量子力学 物理 工程类 生物化学
作者
Qiqi Wu,Ruian Du,Peng Wang,Geoffrey I. N. Waterhouse,Jia Li,Yongcai Qiu,Keyou Yan,Yun Zhao,Weiwei Zhao,Hsin-Jung Tsai,Mengcheng Chen,Sung‐Fu Hung,Xue Wang,Guangxu Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (13): 12884-12894 被引量:135
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c04951
摘要

Surface and interface engineering, especially the creation of abundant Cu0/Cu+ interfaces and nanograin boundaries, is known to facilitate C2+ production during electrochemical CO2 reductions over copper-based catalysts. However, precisely controlling the favorable nanograin boundaries with surface structures (e.g., Cu(100) facets and Cu[n(100)×(110)] step sites) and simultaneously stabilizing Cu0/Cu+ interfaces is challenging, since Cu+ species are highly susceptible to be reduced into bulk metallic Cu at high current densities. Thus, an in-depth understanding of the structure evolution of the Cu-based catalysts under realistic CO2RR conditions is imperative, including the formation and stabilization of nanograin boundaries and Cu0/Cu+ interfaces. Herein we demonstrate that the well-controlled thermal reduction of Cu2O nanocubes under a CO atmosphere yields a remarkably stable Cu2O-Cu nanocube hybrid catalyst (Cu2O(CO)) possessing a high density of Cu0/Cu+ interfaces, abundant nanograin boundaries with Cu(100) facets, and Cu[n(100)×(110)] step sites. The Cu2O(CO) electrocatalyst delivered a high C2+ Faradaic efficiency of 77.4% (56.6% for ethylene) during the CO2RR under an industrial current density of 500 mA/cm2. Spectroscopic characterizations and morphological evolution studies, together with in situ time-resolved attenuated total reflection-surface enhanced infrared absorption spectroscopy (ATR-SEIRAS) studies, established that the morphology and Cu0/Cu+ interfacial sites in the as-prepared Cu2O(CO) catalyst were preserved under high polarization and high current densities due to the nanograin-boundary-abundant structure. Furthermore, the abundant Cu0/Cu+ interfacial sites on the Cu2O(CO) catalyst acted to increase the *CO adsorption density, thereby increasing the opportunity for C-C coupling reactions, leading to a high C2+ selectivity.
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