Structure Sensitivity and Catalyst Restructuring for CO2 Electro-reduction on Copper

重组 灵敏度(控制系统) 还原(数学) 催化作用 材料科学 化学 业务 冶金 工程类 生物化学 数学 几何学 财务 电子工程
作者
Dongfang Cheng,Khanh‐Ly C. Nguyen,Vaidish Sumaria,Ziyang Wei,Zisheng Zhang,Winston Gee,Yichen Li,Carlos G. Morales‐Guio,Markus Heyde,Beatriz Roldán Cuenya,Anastassia N. Alexandrova,Philippe Sautet
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1) 被引量:9
标识
DOI:10.1038/s41467-025-59267-3
摘要

Cu is the most promising metal catalyst for CO2 electroreduction (CO2RR) to multi-carbon products, yet the structure sensitivity of the reaction and the stability versus restructuring of the catalyst surface under reaction conditions remain controversial. Here, atomic scale simulations of surface energies and reaction pathway kinetics supported by experimental evidence unveil that CO2RR does not take place on perfect planar Cu(111) and Cu(100) surfaces but rather on steps or kinks. These planar surfaces tend to restructure in reaction conditions to the active stepped surfaces, with the strong binding of CO on defective sites acting as a thermodynamic driving force. Notably, we identify that the square motifs adjacent to defects, not the defects themselves, as the active sites for CO2RR via synergistic effect. We evaluate these mechanisms against experiments of CO2RR on ultra-high vacuum-prepared ultraclean Cu surfaces, uncovering the crucial role of step-edge orientation in steering selectivity. Overall, our study refines the structural sensitivity of CO2RR on Cu at the atomic level, highlights the self-activation mechanism and elucidates the origin of in situ restructuring of Cu surfaces during the reaction.
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