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Engineering Bilayer Tandem Catalysts on Si‐Based Photocathodes for High‐performance CO 2 Reduction to Produce Methane

光电阴极 催化作用 串联 材料科学 选择性 双层 碳氢化合物 甲烷 光化学 拉曼光谱 化学工程 法拉第效率 质子化 傅里叶变换红外光谱 光催化 无机化学 吸收(声学) 图层(电子) 微型反应器 密度泛函理论 氧化还原 选择性催化还原 红外光谱学 甲烷厌氧氧化 吸收光谱法 还原(数学) 多相催化
作者
Hao Wu,Shenghe Si,Haitao Wang,Changlai Wang,Rongchi Dai,Jianuo Li,Shohei Fukaya,Zhenhua Pan,Yujie Xiong,Noritaka Usami,Koyo Norinaga,Yasuyoshi Kurokawa,Suchada Sirisomboonchai,Dong Liu,Q. Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (15): e18249-e18249
标识
DOI:10.1002/adma.202518249
摘要

ABSTRACT Solar‐powered CO 2 reduction through photoelectrochemical (PEC) approaches to produce hydrocarbon fuels, such as methane (CH 4 ), is one of the most promising paths for supplying sustainable fuels. However, the limited light absorption capability and sluggish kinetics restrict the photocatalytic rate and selectivity for hydrocarbon production. Here, we introduce tandem catalysts on photocathodes designed to enhance controlled sequential reactions involving intermediates and thus the selectivity of CO 2 reduction. Specifically, when mounted on Cu/Ag‐Cu bilayer catalysts, the p‐type Si photocathode with a pyramid‐structured surface dramatically improves CO 2 ‐to‐CH 4 conversion, achieving a selectivity of 60.2 ± 3.4% and a working current density of −32.9 ± 1.9 mA cm −2 at −1.1 V vs. RHE. As identified by operando Raman and synchrotron‐radiation Fourier transform infrared spectroscopy and Density Functional Theory, the bottom layer of the Cu/Ag‐Cu catalysts comprises Ag and Cu nanoparticles, which catalyse the initial reduction of CO 2 to form *CO and the creation of *H species dissociated from H 2 O, respectively. The top Cu layer subsequently enables the protonation of *CO to *CHO, ultimately yielding CH 4 . This design of tandem catalysts, coupled with a thorough investigation of the reaction mechanisms, offers a powerful approach toward high‐performance and selective pathways for solar‐powered CO 2 reduction to targeted products.
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