Cu supraparticles with enhanced mass transfer and abundant C-C coupling sites achieving ampere-level CO2-to-C2+ electrosynthesis

电合成 联轴节(管道) 传质 纳米技术 材料科学 电化学 化学 电极 物理化学 冶金 色谱法
作者
Lushan Ma,Hong Liu,Bingbao Mei,Jing Chen,Qingqing Cheng,Jingyuan Ma,Bo Yang,Qiang Li,Hui Yang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-025-58755-w
摘要

The efficient electrochemical CO2 reduction to C2+ products at high current densities remains a significant challenge. Here we show inherently hydrophobic and hierarchically porous Cu supraparticles comprising sub-10 nm Cu constituent particles for ampere-level CO2-to-C2+ electrosynthesis. These supraparticles feature abundant grain boundaries for high C2+ selectivity, coupled with interconnected mesopores and interparticle macropore cavities to enhance the accessibility of the active sites and mass transfer, breaking the trade-off between activity and mass transfer in Cu-based catalysts. Moreover, the intrinsic hydrophobicity of the supraparticles mitigates the water-flooding issue of catalytic layer in flow cells, improving the stability at high current densities. Consequently, the Cu supraparticles achieve ampere-level CO2 electrolysis up to 3.2 A cm-2 with a C2+ Faradaic efficiency of 74.9% (compared to 1.21 A cm-2 and 55.4% for Cu nanoparticles) and maintain stability at 1 A cm-2 for over 100 h. This work provides profound insights into the effect of the coupling of mass transfer and catalytic reaction under a high current and presents a corresponding solution by superstructure design.
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