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Leveraging Intermediates for Selective Acidic CO 2 ‐to‐CH 4 Electroreduction via Synergistic Cu‐Based Single Atoms and Subnanoparticles

催化作用 选择性 法拉第效率 电化学 解吸 介孔材料 化学 碳氢化合物 协同催化 电解质 可逆氢电极 反应中间体 无机化学 介孔二氧化硅 材料科学 联轴节(管道) 组合化学 多相催化 产量(工程) 电催化剂 化学工程 反应机理 光化学 氢键 分子 制氢 电极 质子化 产物抑制 同位素标记 工作(物理)
作者
Hongli Liu,Hongli Liu,Bin Sun,Zaiqi Li,Difei Xiao,Haixia Liu,Haixia Liu,Zeyan Wang,Yuanyuan Liu,Zhaoke Zheng,Peng Wang,Kepeng Song,Ying Dai,Baibiao Huang,Hefeng Cheng
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (10): e11504-e11504
标识
DOI:10.1002/smll.202511504
摘要

ABSTRACT Electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) to value‐added hydrocarbon fuels, such as CH 4 , is desirable for a carbon‐neutral future but suffers from low selectivity, especially in acidic electrolytes with the competing hydrogen evolution reaction. Leveraging the hydrogenation of *CO intermediate with *H species, while avoiding its desorption or dimerization, is indispensable for selective CO 2 ‐to‐CH 4 electroreduction, which also remains challenging. Here, we report a synergistic Cu‐based catalyst (Cu 1+SNs ) with dual‐functional sites on mesoporous silica (SBA‐15), comprising isolated Cu single atoms (Cu 1 ‐SAs) and ensembled CuO x sub‐nanoparticles (CuO x ‐SNs), enables acidic CO 2 RR toward CH 4 production with high performance. The CuO x ‐SNs are responsible for CO 2 activation, and their elongated Cu─O─Cu bonds inhibit conventional C─C coupling process of *CO intermediates; while the adjacent Cu 1 ‐SAs play a pivotal role in water dissociation, providing abundant *H species for *CO hydrogenation to *CHO intermediate. Consequently, the synergistic Cu 1+SNs catalyst exhibits outstanding CO 2 RR‐to‐CH 4 performance in acidic electrolyte, reaching a Faradaic efficiency of 70.4%. Remarkably, the robust Cu 1+SNs catalyst also displays high selectivity (> 70%) in pH‐universal (acidic, neutral, and alkaline) electrolytes. This work paves a new pathway for designing optimal catalysts with structural heterogeneity toward selective product generation in multistep reactions.
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