Switching between C2+ Products and CH4 in CO2 Electrolysis by Tuning the Composition and Structure of Rare-Earth/Copper Catalysts

催化作用 化学 电化学 电解 法拉第效率 本体电解 稀土 氧化还原 相(物质) 无机化学 化学工程 物理化学 矿物学 电极 循环伏安法 有机化学 工程类 电解质
作者
Jiyuan Liu,Pengsong Li,Jiahui Bi,Shuaiqiang Jia,Yong Wang,Xinchen Kang,Xiaofu Sun,Qinggong Zhu,Buxing Han
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (42): 23037-23047 被引量:57
标识
DOI:10.1021/jacs.3c05562
摘要

Rational regulation of the reaction pathway to produce the desired products is one of the most significant challenges in the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR). Herein, we designed a series of rare-earth Cu catalysts with mixed phases. It was found that the products could be switched from C2+ to CH4 by tuning the composition and structure of the catalysts. Particularly at the Cu/Sm atomic ratio of 9/1 (Cu9Sm1-Ox), the Faradaic efficiency (FE) for C2+ products (FEC2+) could reach 81% at 700 mA cm-2 with negligible CH4. However, the FE of CH4 (FECH4) was 65% at 500 mA cm-2 over Cu1Sm9-Ox (Cu/Sm = 1/9), and the FEC2+ was extremely low. Experiments and theoretical studies indicated that the stable CuSm2O4 phase existed in all the catalysts within the Cu/Sm range of 9/1 to 1/9. At a high Cu content, the catalyst was composed of CuSm2O4 and Cu phases. The small amount of Sm could enhance the binding strength of *CO and facilitate C-C coupling. Conversely, at a high Sm content, the catalyst was composed of CuSm2O4 and Sm2O3 phases. Sm could effectively stabilize bivalent Cu and enrich proton donors, lowering the reaction energy of *CO for deep hydrogenation to generate CH4. In both pathways, the stable CuSm2O4 phase could cooperate with the Cu or Sm2O3 phases, which induced the formation of different microenvironments to generate different products. This strategy also had commonality with other Cu-rare-earth (La, Pr, and Eu) catalysts to boost the CO2RR for C2+ or CH4 production.
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