Spatial Ion Redistribution Enables Stable Ethylene Synthesis in Acidic CO 2 Electrolysis

化学 电解质 催化作用 电解水 无机化学 微型多孔材料 化学工程 电化学 电解 法拉第效率 纳米笼 多孔性 唐南势 再分配(选举) 覆盖层 析氧 选择性 氢 乙烯 分解水 电极 硝基苯 沸石咪唑盐骨架 碳纤维 可逆氢电极 吸附 镍 支撑电解质 多相催化
作者
Mutian Ma,Likun Xiong,Le Wei,Yuan Dong,Chen Cheng,Qianqian Bai,Yanzhi Zhang,Zhangyi Zheng,Wei Hua,Zhao Deng,Daqi Song,Fenglei Lyu,Zhihe Wei,Zhiyuan Xing,Sheng Han,Longfei Chen,Dong Liu,Chunmei Tang,Yang Peng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (7): 7159-7170 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18575
摘要

Electrocatalytic CO 2 reduction (eCO 2 R) under acidic conditions mitigates carbon crossover and energy losses, yet selective multicarbon synthesis remains challenging due to competing hydrogen evolution. Conventional efforts manipulate the electrochemical double layer to enrich alkali cations but reach steric limits at industrially relevant current densities, compromising selectivity and stability. Here, we introduce an ion-gated porous overlayer (IGPO) that extends beyond nanometric constraints, creating a volumetric ion-management zone decoupling catalytic surfaces from bulk electrolyte dynamics. Our hierarchical architecture comprises porous carbon nanocages (PCNs) and polymeric triazine nanocage layers on the Cu catalyst. Theoretical modeling reveals this design displaces K + concentration peaks from the catalyst to outer PCN surfaces while attenuating H 3 O + across the porous network. Protonated triazine groups enforce the Donnan exclusion of H 3 O + and retard OH – egress, sustaining locally alkaline microenvironments. Incorporating single-atom nickel sites enables in situ CO generation, enhancing multicarbon formation through tandem catalysis. The optimized electrode achieves 61.1% Faradaic efficiency for ethylene and 86.2% for total C 2+ products at 400 mA cm –2 under acidic conditions, with stable operation exceeding 220 h. This ion-gated strategy provides a generalizable framework for overcoming selectivity-stability trade-offs, advancing carbon-neutral chemical manufacturing.
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