CO2 electroreduction to multicarbon products in strongly acidic electrolyte via synergistically modulating the local microenvironment

电解质 法拉第效率 选择性 电化学 化学 电解 硫酸 水溶液 本体电解 无机化学 电极 催化作用 有机化学 物理化学
作者
Zesong Ma,Zhilong Yang,Wenchuan Lai,Qiyou Wang,Yan Qiao,Haolan Tao,Cheng Lian,Min Liu,Chao Ma,Anlian Pan,Hongwen Huang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:174
标识
DOI:10.1038/s41467-022-35415-x
摘要

Electrochemical CO2 reduction to multicarbon products faces challenges of unsatisfactory selectivity, productivity, and long-term stability. Herein, we demonstrate CO2 electroreduction in strongly acidic electrolyte (pH ≤ 1) on electrochemically reduced porous Cu nanosheets by combining the confinement effect and cation effect to synergistically modulate the local microenvironment. A Faradaic efficiency of 83.7 ± 1.4% and partial current density of 0.56 ± 0.02 A cm-2, single-pass carbon efficiency of 54.4%, and stable electrolysis of 30 h in a flow cell are demonstrated for multicarbon products in a strongly acidic aqueous electrolyte consisting of sulfuric acid and KCl with pH ≤ 1. Mechanistically, the accumulated species (e.g., K+ and OH-) on the Helmholtz plane account for the selectivity and activity toward multicarbon products by kinetically reducing the proton coverage and thermodynamically favoring the CO2 conversion. We find that the K+ cations facilitate C-C coupling through local interaction between K+ and the key intermediate *OCCO.
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