Atomic Layer Deposition of ZnO on CuO Enables Selective and Efficient Electroreduction of Carbon Dioxide to Liquid Fuels

法拉第效率 催化作用 二氧化碳电化学还原 电化学 双金属片 化学工程 可逆氢电极 材料科学 化学 无机化学 电极 一氧化碳 工作电极 有机化学 工程类 物理化学
作者
Dan Ren,Jing Gao,Linfeng Pan,Zaiwei Wang,Jingshan Luo,Shaik M. Zakeeruddin,Anders Hagfeldt,Michaël Grätzel
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:58 (42): 15036-15040 被引量:214
标识
DOI:10.1002/anie.201909610
摘要

Electrochemical reduction of carbon dioxide, if powered by renewable electricity, could serve as a sustainable technology for carbon recycling and energy storage. Among all the products, ethanol is an attractive liquid fuel. However, the maximum faradaic efficiency of ethanol is only ≈10 % on polycrystalline Cu. Here, CuZn bimetallic catalysts were synthesized by in situ electrochemical reduction of ZnO-shell/CuO-core bi-metal-oxide. Dynamic evolution of catalyst was revealed by STEM-EDS mapping, showing the migration of Zn atom and blending between Cu and Zn. CuZn bimetallic catalysts showed preference towards ethanol formation, with the ratio of ethanol/ethylene increasing over five times regardless of applied potential. We achieved 41 % faradaic efficiency for C2+ liquids with this catalyst. Transitioning from H-cell to an electrochemical flow cell, we achieved 48.6 % faradaic efficiency and -97 mA cm-2 partial current density for C2+ liquids at only -0.68 V versus reversible hydrogen electrode in 1 m KOH. Operando Raman spectroscopy showed that CO binding on Cu sites was modified by Zn. Free CO and adsorbed *CH3 are believed to combine and form *COCH3 intermediate, which is exclusively reduced to ethanol.
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