Multiple Active Sites Engineering in Cu/γ‐Al 2 O 3 Catalyst Enables Selective Electrocatalytic CO 2 Reduction to Methane at High Rates

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作者
Xiangke Zeng,Jieshu Zhou,Yi Liu,Yunfei Zhi,Li Wang,Hongying Su,Xintao Zhou,Yongming Luo,Shaoyun Shan,Kaili Yao,Ke Li
出处
期刊:Carbon energy [Wiley]
卷期号:8 (4) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/cey2.70168
摘要

ABSTRACT The electrocatalytic reduction of CO 2 (CO 2 RR) to methane (CH 4 ) using renewable electricity represents a pivotal technology for closing the anthropogenic carbon cycle. However, achieving high CH 4 Faradaic efficiency at industrially relevant current density remains challenging. This is primarily due to the complex multiple adsorption, activation, and reaction steps for CH 4 production, in which each process needs to occur efficiently at its matching catalytic active sites, so the kinetic bottlenecks exceed the capacity of single or dual‐site catalysts. To address this, we engineered a Cu/Al‐based multi‐site heterogeneous electrocatalyst featuring atomically dispersed Cu clusters (1.5 wt.%) on a γ‐Al 2 O 3 matrix. Experimental and theoretical studies reveal that Cu and γ‐Al 2 O 3 sites predominantly serve as CO 2 (forming *CO) and H 2 O molecule (yielding *H) activation centers, respectively, whereas Cu/γ‐Al 2 O 3 interfacial sites primarily accelerate the *CO and *H coupling to form rate‐determining step intermediates (*CHO). The optimized Cu 1.5 wt.% /γ‐Al 2 O 3 multi‐site catalyst exhibited a high CH 4 Faradaic efficiency of 72% at the current density of 500 mA cm −2 , outperforming the reported Cu‐based single‐site and dual‐site catalysts. This study establishes combinatorial site engineering as a paradigm for overcoming scaling relations in multi‐step CO 2 hydrogenation, with broad applicability in catalyst design.
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