Highly Selective Electrocatalytic Reduction of CO2 into Methane on Cu–Bi Nanoalloys

过电位 法拉第效率 选择性 催化作用 甲烷 化学工程 可逆氢电极 材料科学 金属 电极 无机化学 化学 电化学 物理化学 冶金 有机化学 工程类 参比电极
作者
Zhijiang Wang,Qi Yuan,Jingjing Shan,Zhaohua Jiang,Ping Xu,Yongfeng Hu,Jigang Zhou,Lina Wu,Zhuang‐Zhuang Niu,Jianmin Sun,Tao Cheng,William A. Goddard
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (17): 7261-7266 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.0c01261
摘要

Methane (CH4), the main component of natural gas, is one of the most valuable products facilitating energy storage via electricity conversion. However, the poor selectivity and high overpotential for CH4 formation with metallic Cu catalysts prevent realistic applications. Introducing a second element to tune the electronic state of Cu has been widely used as an effective method to improve catalytic performance, but achieving high selectivity and activity toward CH4 remains challenging. Here, we successfully synthesized Cu-Bi NPs, which exhibit a CH4 Faradaic efficiency (FE) as high as 70.6% at -1.2 V versus reversible hydrogen electrode (RHE). The FE of Cu-Bi NPs has increased by approximately 25-fold compared with that of Cu NPs. DFT calculations showed that alloying Cu with Bi significantly decreases the formation energy of *COH formation, the rate-determining step, which explains the improved performance. Further analysis showed that Cu that has been partially oxidized because of electron withdrawal by Bi is the most possible active site.
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