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

化学 法拉第效率 催化作用 选择性 电化学 电解质 电子转移 动力学 可逆氢电极 电催化剂 纳米颗粒 Boosting(机器学习) 化学工程 转移加氢 电极 无机化学 组合化学 密度泛函理论 纳米技术 法拉第电流 反应中间体 化学动力学 支撑电解质 氧化还原 电流密度 选择性还原 还原(数学) 反应机理
作者
Ying Dai,Shuangjun Li,Jiajun Lu,Shengyao Wang,Yì Wáng,Yajuan Zheng,Kaihong Liu,Yanna Guo,Hexing Li,Bo Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
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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