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Steering Hydrogenation Pathways via Construction of Multivalence Cu Electrocatalysts for Boosting Electrocatalytic CO 2 Reduction to CH 4

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作者
Ying Dai,Shuangjun Li,Jiajun Lu,Shengyao Wang,Yi-Xiang Wang,Yajuan Zheng,Kaihong Liu,Yanna Guo,Hexing Li,Bo Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (24): 25279-25289
标识
DOI:10.1021/jacs.6c08318
摘要

The electrochemical reduction of CO 2 to CH 4 in neutral electrolytes represents a compelling route toward carbon-neutral energy systems. Nonetheless, realizing a high Faradaic efficiency (FE) at industrially relevant current densities remains a formidable challenge, primarily due to the intrinsically slow kinetics of the multistep proton-coupled electron transfer (PCET) processes from CO 2 to CH 4 . In this study, we propose an alternative active hydrogen (•H) transfer (AHT) process that significantly facilitates both CO 2 activation and subsequent intermediate hydrogenation, thereby markedly enhancing the kinetics of CO 2 -to-CH 4 conversion by designing a multivalent copper-based catalyst comprising Cu(0) nanoparticles and Cu(I) single atoms on an Al-MgO support. This novel catalyst achieved a CH 4 Faradaic efficiency of ∼93.5% at a high current density of 350 mA cm –2 in a flow cell, substantially outperforming its monovalent counterpart (Cu(0)/Al-MgO, FE 55.4% at 300 mA cm –2 ) governed by a PCET-mediated pathway. Experimental studies and theoretical calculations demonstrate that the Cu(I) sites significantly lower the energy barrier for H 2 O dissociation, generating •H species that subsequently migrate to adjacent Cu(0) sites. These •H species effectively promote the hydrogenation of *CO to *CHO on Cu(0) sites, a key step in CH 4 formation. Our findings highlight the critical role of tailoring hydrogenation pathways from traditional PCET to AHT mechanisms for advancing the efficiency and selectivity of electrocatalytic CO 2 -to-CH 4 conversion.
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