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Optimized Dendrite Copper Surface Enables Selective C 2+ Product Conversion from CO 2 Electroreduction

电催化剂 催化作用 电化学 选择性 无机化学 法拉第效率 可逆氢电极 材料科学 电合成 化学工程 电极 扫描电子显微镜 膜电极组件 化学 电流密度 合成气 X射线光电子能谱 交换电流密度 单排替反应 乙烯 金属有机骨架 过渡金属 沉积(地质)
作者
P. Missak Swarup Raju,Seyed Parsa Amouzesh,Mohammad Asadi
出处
期刊:Meeting abstracts [Institute of Physics]
卷期号:MA2025-02 (47): 2405-2405
标识
DOI:10.1149/ma2025-02472405mtgabs
摘要

Electrosynthesis of valuable fuels like higher-order alcohols and olefins from CO 2 electroreduction is a promising strategy, but achieving high selectivity, particularly for ethylene and ethanol, remains a key challenge. This is largely due to the complex 12-electron reaction pathways and challenging hydrogen evolution. Copper (Cu) is a commanding electrocatalyst in this field due to its ability to uphold C-C bond formation. Existing research is focused on developing modified Cu catalysts, including oxide-derived, atomic, and vacancy-containing structures, to overcome selectivity limitations in CO 2 electroreduction. Dendritic copper (den-Cu) catalysts with high surface areas were synthesized on gas diffusion layer (GDL) electrodes by a galvanostatic electrochemical deposition method in KHCO 3 electrolyte. The deposition current and thickness were carefully optimized to maximize the production of valuable C 2+ products, specifically ethanol and ethylene from CO 2 electroreduction. The resulting dendritic-Cu nanostructured catalysts demonstrated excellent selectivity and activity, attaining a total C 2+ Faradaic efficiency (FE) of 76% with 176 mA/cm² current density while demonstrating a diminutive FE of 8% for H₂ at -2.8 V applied cell potential in a 5 cm 2 membrane electrode assembly (MEA) incorporating an anion exchange membrane. The den-Cu 25-1 electrode exhibited an elevated ethanol turnover frequency (TOF) of 2719 h⁻¹ and a partial current density (j partial ) of 70 mA/cm² at -2.8V due to its larger active surface area favoring CO₂ reduction reaction. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and electrochemical analysis, were employed to understand the catalyst properties. Cooperative research will focus on elucidating the influence of the dendritic Cu surface on CO 2 -C 2+ reduction selectivity and activity.

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