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Synergistic Coupling between Nanoconfinement and Grain Boundary Improves Electrocatalytic CO 2 Reduction to n -Propanol

材料科学 电催化剂 法拉第效率 纳米线 催化作用 选择性 晶界 电流密度 联轴节(管道) 纳米材料 化学工程 纳米技术 多孔性 工作(物理) 粒度 密度泛函理论 产量(工程) 纳米颗粒 电化学 还原(数学) 电流(流体) 化学物理 比表面积 多孔介质 钙钛矿(结构)
作者
Lei Wang,Pengxiang Wang,Yujing Liu,Dongran Wang,Fangming Han,Xing Chen,Xiangfu Meng,Xiaoyang Zheng,Qiquan Luo,Haibin Tang,Guowen Meng
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c03888
摘要

Cu-based nanomaterials are recognized as the most promising catalysts for electrocatalytic CO2 reduction to produce valuable multicarbon products (C2+). However, the low localized concentration of *C1 and *C2 intermediates and poor availability of active sites limit the CO2 conversion efficiency and selectivity for C2+. Herein, a three-dimensional interconnected self-supporting Cu nanowire array with rich grain boundaries (GB-ICCu) is designed to obtain high production of C2+, especially n-propanol (n-PrOH), due to the synergistic coupling between the nanoconfinement effect and the grain boundary. The finite element simulations and experimental results reveal that the three-dimensional interconnected structure between Cu nanowires, like a nanoscaffolding, induces a pronounced nanoconfinement of *C1 and *C2 intermediates and consequently enhances the selectivity toward n-PrOH. Meanwhile, the rich grain boundaries of the (111) and (200) on the surface of each Cu nanowire also strengthen CO2 activation and intermediate adsorption, thereby reducing the energy barrier for C–C coupling. As a result, a high Faradaic efficiency of 17.47% and a partial current density of 10.44 mA cm–2 for n-PrOH are achieved in the H-type cell, while 12.05% and 77.7 mA cm–2 are achieved in the flow cell, respectively, which present an advance in partial current density of n-PrOH, i.e., the yield rate of n-PrOH. This work provides a strategy and a Cu-based electrocatalyst for C3 synthesis via CO2 reduction.
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