Operando Raman characterization of unique electroinduced molecular tautomerization in zero-gap electrolyzers promotes CO 2 reduction

电化学 互变异构体 催化作用 电解质 法拉第效率 化学 电催化剂 化学工程 电极 分析化学(期刊) 物理化学 有机化学 工程类
作者
Ling Li,Wentao Ye,Qiliang Liu,Ruoxi Liu,Xingyu Lu,Ting Yao,Linqin Wang,Bing Gu,Licheng Sun,Wenxing Yang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (27)
标识
DOI:10.1073/pnas.2418144122
摘要

Membrane electrode assembly (MEA) represents an advanced type of electrochemical device currently widely used in various electrocatalysis applications [e.g., electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR)], featuring no explicit catholyte flow and a unique “solid–liquid–gas” triple-phase interface. Herein, we identify a peculiar electroinduced thiol to thione tautomerization of 4-mercaptopyridine (4MPy) molecule on Cu catalyst surfaces at this triple-phase interface driven by cathodic polarization. This leads to a significant performance improvement of CO 2 RR on Cu with a C 2+ Faradaic efficiency of over 80% with more than 60% C 2 H 4 , as well as a 300 mV reduction of cell voltage compared to bare Cu. A home-designed MEA-type operando Raman cell enables mechanistic studies directly under a current density of over 100 mA cm −2 , elucidating the intricate impacts of the 4MPy tautomerization on the local catalytic environments under real reaction conditions. Surprisingly, this tautomerization does not occur in other commonly utilized electrolyzers, e.g., flow cell and H-cell, even with the same catalyst and electrolyte conditions. The direct contact with the electrolyte in the latter cells was found to cause rapid desorption of 4MPy from the catalyst surface before its possible chemical transformation. These results highlight the opportunities of utilizing surface molecular tautomerization to promote CO 2 RR performance and using the triple phase of MEA to drive reactions that would otherwise be hard to happen in classical electrochemical devices of similar conditions.

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