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Revolutionizing CO2 Electrolysis: Fluent Gas Transportation within Hydrophobic Porous Cu2O

多孔性 法拉第效率 电催化剂 电解 纳米孔 多孔介质 相(物质) 电化学 化学工程 纳米技术 密度泛函理论 化学物理 材料科学 化学 工程类 计算化学 有机化学 物理化学 电极 电解质
作者
Qinghong Geng,Longlong Fan,Huige Chen,Chunhui Zhang,Zhe Xu,Ye Tian,Cunming Yu,Lei Kang,Yusuke Yamauchi,Cuiling Li,Lei Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (15): 10599-10607 被引量:59
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00082
摘要

The success of electrochemical CO2 reduction at high current densities hinges on precise interfacial transportation and the local concentration of gaseous CO2. However, the creation of efficient CO2 transportation channels remains an unexplored frontier. In this study, we design and synthesize hydrophobic porous Cu2O spheres with varying pore sizes to unveil the nanoporous channel's impact on gas transfer and triple-phase interfaces. The hydrophobic channels not only facilitate rapid CO2 transportation but also trap compressed CO2 bubbles to form abundant and stable triple-phase interfaces, which are crucial for high-current-density electrocatalysis. In CO2 electrolysis, in situ spectroscopy and density functional theory results reveal that atomic edges of concave surfaces promote C–C coupling via an energetically favorable OC-COH pathway, leading to overwhelming CO2-to-C2+ conversion. Leveraging optimal gas transportation and active site exposure, the hydrophobic porous Cu2O with a 240 nm pore size (P-Cu2O-240) stands out among all the samples and exhibits the best CO2-to-C2+ productivity with remarkable Faradaic efficiency and formation rate up to 75.3 ± 3.1% and 2518.2 ± 8.1 μmol h–1 cm–2, respectively. This study introduces a novel paradigm for efficient electrocatalysts that concurrently addresses active site design and gas-transfer challenges.
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