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Single-Atomic Cu with Multiple Oxygen Vacancies on Ceria for Electrocatalytic CO2 Reduction to CH4

电催化剂 催化作用 选择性 氧气 空位缺陷 纳米棒 法拉第效率 材料科学 无机化学 化学 电化学 纳米技术 物理化学 结晶学 电极 生物化学 有机化学
作者
Yifei Wang,Zheng Chen,Peng Han,Yonghua Du,Zhengxiang Gu,Xin Xu,Gengfeng Zheng
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (8): 7113-7119 被引量:612
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b01014
摘要

The electrocatalytic reduction of CO2 into value-added chemicals such as hydrocarbons has the potential for supplying fuel energy and reducing environmental hazards, while the accurate tuning of electrocatalysts at the ultimate single-atomic level remains extremely challenging. In this work, we demonstrate an atomic design of multiple oxygen vacancy-bound, single-atomic Cu-substituted CeO2 to optimize the CO2 electrocatalytic reduction to CH4. We carried out theoretical calculations to predict that the single-atomic Cu substitution in CeO2(110) surface can stably enrich up to three oxygen vacancies around each Cu site, yielding a highly effective catalytic center for CO2 adsorption and activation. This theoretical prediction is consistent with our controlled synthesis of the Cu-doped, mesoporous CeO2 nanorods. Structural characterizations indicate that the low concentration (<5%) Cu species in CeO2 nanorods are highly dispersed at single-atomic level with an unconventionally low coordination number ∼5, suggesting the direct association of 3 oxygen vacancies with each Cu ion on surfaces. This multiple oxygen vacancy-bound, single atomic Cu-substituted CeO2 enables an excellent electrocatalytic selectivity in reducing CO2 to methane with a faradaic efficiency as high as 58%, suggesting strong capabilities of rational design of electrocatalyst active centers for boosting activity and selectivity.
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