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Hierarchical Copper with Inherent Hydrophobicity Mitigates Electrode Flooding for High-Rate CO2 Electroreduction to Multicarbon Products

化学 电解质 电极 化学工程 法拉第效率 催化作用 气体扩散 扩散 无机化学 有机化学 物理 物理化学 工程类 热力学
作者
Zhuang‐Zhuang Niu,Fei‐Yue Gao,Xiaolong Zhang,Peng‐Peng Yang,Ren Liu,Li‐Ping Chi,Zhi‐Zheng Wu,Shuai Qin,Xingxing Yu,Min‐Rui Gao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (21): 8011-8021 被引量:343
标识
DOI:10.1021/jacs.1c01190
摘要

Copper is currently the material with the most promise as catalyst to drive carbon dioxide (CO2) electroreduction to produce value-added multicarbon (C2+) compounds. However, a copper catalyst on a carbon-based gas diffusion layer electrode often has poor stability-especially when performing at high current densities-owing to electrolyte flooding caused by the hydrophobicity decrease of the gas diffusion layer during operation. Here, we report a bioinspired copper catalyst on a gas diffusion layer that mimics the unique hierarchical structuring of Setaria's hydrophobic leaves. This hierarchical copper structure endows the CO2 reduction electrode with sufficient hydrophobicity to build a robust gas-liquid-solid triple-phase boundary, which can not only trap more CO2 close to the active copper surface but also effectively resist electrolyte flooding even under high-rate operation. We consequently achieved a high C2+ production rate of 255 ± 5.7 mA cm-2 with a 64 ± 1.4% faradaic efficiency, as well as outstanding operational stability at 300 mA cm-2 over 45 h in a flow reactor, largely outperforming its wettable copper counterparts.
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