Alkali cation-induced cathodic corrosion in Cu electrocatalysts

催化作用 循环伏安法 电化学 电解质 阴极保护 选择性 氧化还原 无机化学 碱金属 材料科学 腐蚀 化学 电极 物理化学 冶金 有机化学
作者
Shikai Liu,Yuheng Li,Di Wang,Shibo Xi,Haoming Xu,Yulin Wang,Xinzhe Li,Wenjie Zang,Weidong Liu,Mengyao Su,Katherine Yan,Adam C. Nielander,Andrew Barnabas Wong,Jiong Lu,Thomas F. Jaramillo,Lei Wang,Pieremanuele Canepa,Qian He
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 5080-5080 被引量:66
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49492-7
摘要

The reconstruction of Cu catalysts during electrochemical reduction of CO2 is a widely known but poorly understood phenomenon. Herein, we examine the structural evolution of Cu nanocubes under CO2 reduction reaction and its relevant reaction conditions using identical location transmission electron microscopy, cyclic voltammetry, in situ X-ray absorption fine structure spectroscopy and ab initio molecular dynamics simulation. Our results suggest that Cu catalysts reconstruct via a hitherto unexplored yet critical pathway - alkali cation-induced cathodic corrosion, when the electrode potential is more negative than an onset value (e.g., -0.4 VRHE when using 0.1 M KHCO3). Having alkali cations in the electrolyte is critical for such a process. Consequently, Cu catalysts will inevitably undergo surface reconstructions during a typical process of CO2 reduction reaction, resulting in dynamic catalyst morphologies. While having these reconstructions does not necessarily preclude stable electrocatalytic reactions, they will indeed prohibit long-term selectivity and activity enhancement by controlling the morphology of Cu pre-catalysts. Alternatively, by operating Cu catalysts at less negative potentials in the CO electrochemical reduction, we show that Cu nanocubes can provide a much more stable selectivity advantage over spherical Cu nanoparticles.
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