Electrifying HCOOH synthesis from CO 2 building blocks over Cu–Bi nanorod arrays

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作者
Guiru Zhang,Bing Tan,Dong Hyeon Mok,Huiya Liu,Baoxin Ni,Gui Zhao,Ke Ye,Shengjuan Huo,Xiaohe Miao,Zheng Liang,Xi Liu,Liwei Chen,Zemin Zhang,Wen‐Bin Cai,Seoin Back,Kun Peng Jiang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (29): e2400898121-e2400898121 被引量:49
标识
DOI:10.1073/pnas.2400898121
摘要

Precise electrochemical synthesis of commodity chemicals and fuels from CO 2 building blocks provides a promising route to close the anthropogenic carbon cycle, in which renewable but intermittent electricity could be stored within the greenhouse gas molecules. Here, we report state-of-the-art CO 2 -to-HCOOH valorization performance over a multiscale optimized Cu–Bi cathodic architecture, delivering a formate Faradaic efficiency exceeding 95% within an aqueous electrolyzer, a C-basis HCOOH purity above 99.8% within a solid-state electrolyzer operated at 100 mA cm −2 for 200 h and an energy efficiency of 39.2%, as well as a tunable aqueous HCOOH concentration ranging from 2.7 to 92.1 wt%. Via a combined two-dimensional reaction phase diagram and finite element analysis, we highlight the role of local geometries of Cu and Bi in branching the adsorption strength for key intermediates like *COOH and *OCHO for CO 2 reduction, while the crystal orbital Hamiltonian population analysis rationalizes the vital contribution from moderate binding strength of η 2 (O,O)-OCHO on Cu-doped Bi surface in promoting HCOOH electrosynthesis. The findings of this study not only shed light on the tuning knobs for precise CO 2 valorization, but also provide a different research paradigm for advancing the activity and selectivity optimization in a broad range of electrosynthetic systems.
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