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Thermally Stabilized Hydrogenation Dynamics in Single-Atom Alloys Enables Selective CO 2 Electroreduction

化学 催化作用 选择性 电化学 法拉第效率 化学工程 合金 可再生能源 碳纤维 多相催化 无机化学 化学稳定性 反应中间体 纳米技术 反应机理 可逆氢电极 氧化还原
作者
Zhaoyu Jin,Kui Liu,Zhicheng Pan,Xiangyi Shan,Furong Cai,Dongqi Yang,Panpan Li,Guihua Yu,Min Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (1): 622-631 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.5c15278
摘要

Electrochemical CO 2 reduction to single-carbon products is central to sustainable fuels and chemicals, but under industrially relevant conditions elevated temperature fundamentally alters reaction behavior and the mechanistic basis for steering hydrogenation of carbon-based intermediates toward selective C 1 formation remains elusive. By integrating artificial intelligence-guided literature mining with theoretical modeling, single-atom alloy catalysts combining thermodynamic advantage with temperature-dependent dynamic surface stability were identified. We report that the coverage and lifetime of surface-active hydrogen (*H) serve as intrinsic, temperature-dependent descriptors for catalyst design, enabling tunable C 1 activity and selectivity under thermally enhanced electrocatalysis. Au 1 Cu single-atom alloys are shown to direct CO 2 to either CO or CH 4 via thermally stabilized hydrogenation dynamics; in situ surface-interrogation scanning electrochemical microscopy quantitatively resolves *H coverage and lifetime and links their balance to suppression of hydrogen evolution and promotion of deep hydrogenation to methane. Selectivity was modulated by Au content, delivering about 60% faradaic efficiency for CH 4 at 353 K, whereas higher loadings favored approximately 85–90% CO. Under device-relevant operation and high renewable electricity share, net carbon emissions were reduced relative to conventional electrocatalysis. These findings highlight a quantitative, temperature-explicit mechanistic framework based on *H coverage and lifetime, providing general principles for C 1 -selective CO 2 electroreduction and guiding catalyst design beyond room-temperature conditions.
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