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Twin Heterostructure Engineering and Facet Effect Boosts Efficient Reduction CO2-to-Ethanol at Low Potential on Cu2O@Cu2S Catalysts

异质结 过电位 催化作用 法拉第效率 化学 电化学 密度泛函理论 选择性 化学工程 材料科学 无机化学 物理化学 电极 计算化学 光电子学 工程类 生物化学
作者
Jing Li,Rong Cai,Haiqiang Mu,Jia-Xing Guo,Xing Zhong,Jianguo Wang,Xin Du,Jie Zhang,Feng Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (5): 3266-3277 被引量:82
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c05857
摘要

Copper oxide (Cu2O) is considered a promising catalyst that can effectively reduce the overpotential of the CO2 reduction reaction (CO2 RR) and increase the selectivity for C2+ products. However, developing high-performance and stable of CO2-to-ethanol (C2H5OH) based-Cu2O electrocatalysts remains challenging. In this work, Cu2O@Cu2S twin heterojunction catalysts with multitwin boundaries are designed to afford C2H5OH productivity at low potential through the electrocatalytic CO2 RR, and the C2H5OH selectivity is highly dependent on the facet of Cu2O@Cu2S with nanocubes outperforming octahedra. Detailed electrochemical experiments, density functional theory (DFT) calculations and in situ infrared spectroscopy reveals that the introduction of Cu2S boosts the high coverage of *CO, which can easily spillover to the twin boundaries to generate C2H5OH through the *CHOH_*CO coupling reaction pathway. A C2H5OH production begins at an ultralow potential of −0.45 V vs RHE and reaches 34 and 43.9% Faradaic efficiencies (FE) at −0.65 V vs RHE in an H-cell and a flow cell, respectively. Meanwhile, this heterojunction constructed with an interface coherent structure and suitable band structure can facilitate electron transfer from Cu2O to Cu2S, leading to the stability of Cu+ valence states. This work provides an avenue to precisely design C2H5OH production catalysts by regulating the interface configuration.
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