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Steering Acidic CO 2 Electroreduction to Multicarbon Alcohols with High Efficiency and Selectivity over Calcium-Induced Bicrystalline Cu Architecture

选择性 催化作用 化学 电化学 电催化剂 化学工程 无机化学 铜 多相催化 材料科学 酒 组合化学 甲醇 燃料电池 有机化学 吸附
作者
Yuqing Hou,Pengsong Li,Yong Wang,Xiangda Zhang,Shuaiqiang Jia,Jiahao Yang,Ganwen Zhang,Yichao Zhang,Xihua Wang,Rongjuan Feng,Xinchen Kang,Xiaofu Sun,Lihong Jing,Qingli Qian,Jianling Zhang,Qinggong Zhu,Buxing Han
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (22): 19227-19237 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c05968
摘要

Electroreduction of CO 2 to multicarbon (C 2+ ) alcohols in an acidic electrolyte presents a promising route for efficient carbon utilization. However, achieving high selectivity with high current density remains a major challenge due to multiple competing reactions in an acidic electrolyte. Herein, we develop a Ca species-templated strategy to construct bicrystalline Cu architectures (dCu(OH) 2 /Ca x ) for the selective conversion of CO 2 to C 2+ alcohols in acid. At a high current density of 700 mA cm –2, the C 2+ product faradaic efficiency (FE) could reach 81.2%, of which the FE of C 2+ alcohols was 51.6% with a partial current density of 361.4 mA cm –2, which is higher than those reported in acidic electrolytes. The C 2+ alcohol/C 2 H 4 ratio was as high as 1.9, compared with the 0.48 observed for the dCu(OH) 2 electrode. Mechanistic studies reveal that Ca species act as templates, directing the formation of 3D dendritic bicrystalline Cu structures rich in Cu (111)/(200) interfaces. These interfaces significantly enhance the adsorption of hydroxyl groups (*OH ad ) in an acidic electrolyte, which plays a dual role in promoting the conversion of CO 2 to C 2+ alcohols in acid. The *OH ad -functionalized Cu (111)/(200) interfaces not only suppress the hydrogen evolution reaction by altering the hydrogen-bonding network of interfacial water but also stabilize the key *CHCOH intermediate, facilitating its hydrogenation to *CHCH x OH for the generation of C 2+ alcohols. This synergistic interplay between the catalyst structure and interfacial chemistry enables efficient and selective production of C 2+ alcohols in acidic environments.
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