Spin Polarization Enhanced Ethanol Selectivity in Electrocatalytic CO 2 Reduction on the Paramagnetic CuO Surface

化学 选择性 乙醇 乙烯 极化(电化学) 动能 无机化学 光化学 顺磁性 还原(数学) 催化作用 反应中间体 电催化剂 反应机理 动力学 分子 酒 氧化还原 选择性还原 电化学
作者
Fujun Tao,Jianxin Wang,Jiayi Xu,Guangji Chen,Xudong Xiao,Mengyuan Li,Haozhe Zhang,Xinwei Zhou,Yuzi Liu,Owen Sayler Wostoupal,Zhenzhen Yang,Bing Shi,Harry Christopher Fry,John E. Pearson,Haiming Li,Chong Zheng,Cong Liu,Di‐Jia Liu,Tao Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (19): 20150-20160 被引量:11
标识
DOI:10.1021/jacs.6c05085
摘要

We report an electrochemical CO2 reduction reaction catalyzed by a paramagnetic and conductive CuO/Cu interface with spins polarized by a moderate external magnetic field (MF) of ∼800 gauss, achieving a ∼30% increase in CO2-to-C2+ Faradaic efficiency (FE) compared to that in the absence of the MF in a flow cell electrolyzer. At a current density of 400 mA/cm2, the CO2-to-C2+ FE reached 86.7 ± 2.7% with 47.9 ± 1.4% cathodic energy efficiency (EE) in contrast to the CO2-to-C2+ FE of 67.6% with 36.4% of EE in the absence of MF. Notably, ethanol production exhibits a much higher response to the MF (∼55.6% increase in FE) than ethylene (∼6.4% increase in FE) at 400 mA/cm2. In situ surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) captured magnetic-field-enhanced *CO coverage and ethanol-forming C2 intermediates on CuO/Cu, providing direct spectroscopic evidence of spin-modulated pathway selection. Computational study suggests that the enhancement of ethanol selectivity is due to the reduced reaction kinetic barrier under MF, while the ethylene selectivity is less affected, mainly due to the insensitivity of the kinetic barriers under MF.
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