Mechanistic reaction pathways of enhanced ethylene yields during electroreduction of CO2–CO co-feeds on Cu and Cu-tandem electrocatalysts

反应性(心理学) 催化作用 电化学 化学 纳米材料基催化剂 吸附 二氧化碳电化学还原 化学工程 无机化学 一氧化碳 物理化学 有机化学 电极 病理 工程类 医学 替代医学
作者
Xingli Wang,Jorge Ferreira de Araújo,Wen Ju,Alexander Bagger,Henrike Schmies,Stefanie Kühl,Jan Rossmeisl,Peter Strasser
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Springer Nature]
卷期号:14 (11): 1063-1070 被引量:269
标识
DOI:10.1038/s41565-019-0551-6
摘要

Unlike energy efficiency and selectivity challenges, the kinetic effects of impure or intentionally mixed CO2 feeds on the catalytic reactivity of the direct electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) have been poorly studied. Given that industrial CO2 feeds are often contaminated with CO, a closer investigation of the CO2RR under CO2/CO co-feed conditions is warranted. Here, we report mechanistic insights into the CO2RR reactivity of CO2/CO co-feeds on Cu-based nanocatalysts. Kinetic isotope-labelling experiments-performed in an operando differential electrochemical mass spectrometry capillary flow cell with millisecond time resolution-showed an unexpected enhanced production of C2H4, with a yield increase of almost 50%, from a cross-coupled 12CO2-13CO reactive pathway. The results suggest the absence of site competition between CO2 and CO molecules on the reactive surface at the reactant-specific sites. The practical significance of sustained local interfacial CO partial pressures under CO2 depletion is demonstrated by metallic/non-metallic Cu/Ni-N-doped carbon tandem catalysts. Our findings show the mechanistic origin of improved C2 product formation under co-feeding, but also highlight technological opportunities of impure CO2/CO process feeds for H2O/CO2 co-electrolysers.
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