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Decoupling Product Selectivity in Electrocatalytic CO 2 Reduction by Steering the Interfacial Water Structure

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作者
Yu Yang,Jun Wang,Yaohui Shi,Xue Han,Yuhang Wang,Biswaranjan Mohanty,Yongxiang Liang,Mianqi Xue,Jie Zeng,Tongliang Liu,Aoni Xu,F.-B Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (10): 11284-11295 被引量:6
标识
DOI:10.1021/jacs.6c00420
摘要

Achieving precise control over reaction pathways in the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) is a central challenge. Silver, for instance, is widely recognized for its high selectivity toward carbon monoxide (CO). Here, we demonstrate a strategy to steer the selectivity of Ag away from CO and toward formic acid (HCOOH) by engineering the nanoscale structure of water at the electrode–electrolyte interface. Using a polymeric cation, poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA), in an alkali-metal-cation-free, strongly acidic electrolyte, we create a hydrophobic interfacial environment that promotes weakly hydrogen-bonded, “free-like” water (f-H2O). Using operando spectroscopy and isotope labeling, we establish a direct, quantitative correlation between the abundance of f-H2O and HCOOH selectivity. Electrochemical analyses and theoretical simulations using density functional theory and ab initio molecular dynamics suggest that the f-H2O-rich environment opens a distinct mechanistic channel for HCOOH formation via a direct, energetically favorable *H + CO2 hydrogenation reaction, a pathway disfavored in conventional alkali-metal-cation-based electrolytes where strongly hydrogen-bonded water (h-H2O) facilitates the *COOH pathway to CO. These findings highlight that the tuning of interfacial water structure is powerful in overriding the intrinsic selectivity of a catalyst and rationally directing CO2RR pathways.
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