Controlling the Activity and Selectivity of Cu Catalysts toward Industrially Relevant Ethanol Electrosynthesis via High-Index Step Density Engineering

选择性 催化作用 电合成 乙醇 密度泛函理论 化学 化学工程 吸附 电化学 纳米颗粒 材料科学 无机化学 纳米技术 有机化学 物理化学 计算化学 电极 工程类
作者
Yipeng Zang,Haitao Li,Yan Ping Sun,Lei Tang,Kangli Xu,Dunfeng Gao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (13): 13436-13445 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c01637
摘要

Electrochemical CO 2 reduction reaction on Cu catalysts can generate high-value multicarbon (C 2+ ) products, making it a significant research area of growing commercial interest. However, the production rate of ethanol remains low owing to the trade-off between the activity and selectivity of Cu catalysts. Here, we develop a defect-rich Cu catalyst with abundant high-index step sites by chemically etching commercially available Cu nanoparticles. This catalyst exhibits a high Faradaic efficiency of ∼50% and a partial current density of ∼416 mA cm –2 for ethanol production. Furthermore, it shows good stability at a high total current density of ∼800 mA cm –2, without obvious decay in ethanol selectivity. Control experiments indicate that the impressive ethanol selectivity is closely associated with the high density of high-index steps present on the defect-rich Cu catalyst. In situ Raman spectroscopy and density functional theory calculations further verify that the optimal high-index step sites enable balanced adsorption of *CO, *OH, and *H, and facilitate the hydrogenation of *CHCOH to *CHCHOH, thereby improving ethanol selectivity. This work underscores the importance of step density control for steering the reaction pathway and selectivity toward ethanol.
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