High carbon utilization in CO2 reduction to multi-carbon products in acidic media

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作者
Yi Xie,Pengfei Ou,Xue Wang,Zhanyou Xu,Yuguang Li,Ziyun Wang,Jianan Erick Huang,Joshua Wicks,Christopher McCallum,Ning Wang,Yuhang Wang,Tianxiang Chen,Tsz Woon Benedict Lo,David Sinton,Jimmy C. Yu,Ying Wang,Edward H. Sargent
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:5 (6): 564-570 被引量:526
标识
DOI:10.1038/s41929-022-00788-1
摘要

Renewable electricity-powered CO2 reduction to multi-carbon (C2+) products offers a promising route to realization of low-carbon-footprint fuels and chemicals. However, a major fraction of input CO2 (>85%) is consumed by the electrolyte through reactions with hydroxide to form carbonate/bicarbonate in both alkaline and neutral reactors. Acidic conditions offer a solution to overcoming this limitation, but also promote the hydrogen evolution reaction. Here we report a design strategy that suppresses hydrogen evolution reaction activity by maximizing the co-adsorption of CO and CO2 on Cu-based catalysts to weaken H* binding. Using density functional theory studies, we found Pd–Cu promising for selective C2+ production over C1, with the lowest ∆GOCCOH* and ∆GOCCOH* - ∆GCHO*. We synthesized Pd–Cu catalysts and report a crossover-free system (liquid product crossover <0.05%) with a Faradaic efficiency of 89 ± 4% for CO2 to C2+ at 500 mA cm−2, simultaneous with single-pass CO2 utilization of 60 ± 2% to C2+.
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