Enhancing Carbon Dioxide Reduction Performance on Copper via Surface Reconstruction Induced by Spontaneous Diazonium Salt Grafting

化学 选择性 电化学 价(化学) 嫁接 催化作用 铜 化学工程 氧化还原 氧化物 无机化学 纳米技术 电极 有机化学 聚合物 材料科学 物理化学 工程类
作者
Pegah Nazari,Siqi Zhao,Oliver Christensen,Zhaozong Sun,Mads Folkjær,Jeppe V. Lauritsen,Steen Uttrup Pedersen,Jan Rossmeisl,Alonso Rosas‐Hernández,Kim Daasbjerg
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11431
摘要

The electrochemical reduction of CO2 (eCO2RR) is a promising strategy for sustainable energy storage and the production of carbon-neutral chemical feedstocks. Among available catalysts, Cu-based materials uniquely enable the formation of valuable multicarbon (C2+) products; however, achieving high selectivity remains a major challenge. In this study, we present a straightforward and effective strategy to enhance C2+ product formation by spontaneously grafting a benzenediazonium salt onto polycrystalline Cu electrodes. The resulting covalently bound polyphenylene-like film yields a 6-fold increase in Faradaic efficiency for C2+ products compared to bare Cu, while concurrently suppressing the hydrogen evolution reaction. Surface characterization reveals that the grafting process induces significant Cu surface reconstruction, alters the Cu valence state, and promotes the formation of high-index facets and defect sites, features associated with improved C-C coupling. Additionally, the organic layer increases the surface hydrophobicity, which may further contribute to product selectivity by modifying the local reaction environment. To isolate the role of surface restructuring and oxidation, control experiments using electrografted films and oxide-derived Cu electrodes were performed. These controls exhibited inferior performance, confirming that the improved selectivity primarily arises from the structural and chemical changes induced by spontaneous grafting. This work highlights the critical role of molecular-film-induced surface reconstruction and hydrophobic tuning in steering product distribution during CO2 electroreduction.
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