Guiding catalytic CO2 reduction to ethanol with copper grain boundaries

齿合度 质子化 催化作用 吸附 乙醇 选择性 电极 化学 无机化学 结晶学 物理化学 有机化学 晶体结构 离子
作者
Dongfang Cheng,Gong Zhang,Lulu Li,Xiangcheng Shi,Shiyu Zhen,Zhi‐Jian Zhao,Jinlong Gong
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (29): 7966-7972 被引量:13
标识
DOI:10.1039/d3sc02647g
摘要

The grain boundaries (GBs) in copper (Cu) electrocatalysts have been suggested as active sites for CO2 electroreduction to ethanol. Nevertheless, the mechanisms are still elusive. Herein, we describe how GBs tune the activity and selectivity for ethanol on two representative Cu-GB models, namely Cu∑3/(111) GB and Cu∑5/(100) GB, using joint first-principles calculations and experiments. The unique geometric structures on the GBs facilitate the adsorption of bidentate intermediates, *COOH and *CHO, which are crucial for CO2 activation and CO protonation. The decreased CO-CHO coupling barriers on the GBs can be rationalized via kinetics analysis. Furthermore, when introducing GBs into Cu (100), the product is selectively switched from ethylene to ethanol, due to the stabilization effect for *CH3CHO and inapposite geometric structure for *O adsorption, which are validated by experimental trends. An overall 12.5 A current and a single-pass conversion of 5.18% for ethanol can be achieved over the synthesized Cu-GB catalyst by scaling up the electrode into a 25 cm2 membrane electrode assembly system.
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