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External‐Field‐Enhanced Helmholtz‐Layer Local Charge Density Enables C─C Coupling in Pure‐H 2 O‐Fed CO 2 Electroreduction To C 2+ Products

法拉第效率 电化学 选择性 催化作用 电极 联轴节(管道) 材料科学 交换电流密度 电荷密度 氢 无机化学 阳离子聚合 电荷(物理) 化学 氧化还原 电流密度 分析化学(期刊) 化学工程 化学物理 电化学电池 可逆氢电极 标准电极电位 氢铵 选择性催化还原 还原(数学) 物理化学 电场 反应机理
作者
Yuan Zhang,Zhaolong Wang,Zhihang Xu,Lyuchao Zhuang,Siyu Yi,Xiaojie She,Hongping Li,Yiqun Fan,Hui Fang Xu,Weihong Xing
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (41): e7758933-e7758933
标识
DOI:10.1002/anie.7758933
摘要

ABSTRACT Electrochemical CO 2 reduction (ECO 2 R) is a promising decarbonization technology but is limited by the trade‐off between catalytic performance and system stability. Here, we present an external‐field‐assisted strategy to enhance the local charge density of the Helmholtz layer, thereby promoting C─C coupling in a pure‐H 2 O‐fed ECO 2 R system. By introducing a cationic organic ionomer (QAS) onto the Cu 2 O surface, an interfacial external field is established, which amplifies Helmholtz‐layer charge density, suppresses hydronium accumulation and the hydrogen evolution reaction (HER), and accelerates ECO 2 R kinetics. The optimized Cu 2 O/QAS electrode delivers a C 2+ Faradaic efficiency (FE) of ∼85% at 400 mA cm −2 in an alkaline flow cell, with a C 2+ /C 1 ratio of ∼6.8, representing a 3.4‐fold enhancement over pristine Cu 2 O. Notably, a high C 2+ FE of ∼60% is retained even in acidic flow cells. To meet industrial requirements, a pure‐H 2 O‐fed membrane‐electrode‐assembly (MEA) cell is constructed, achieving ∼62% C 2+ FE at 300 mA cm −2 and ∼4 V. Moreover, the scaled‐up MEA system demonstrates stable operation for over 100 h at 45 A and ∼176 W. In situ electrochemical analyses, operando spectroscopy, and theoretical calculations reveal that enhanced Helmholtz‐layer charge density stabilizes C─C coupling intermediates and lowers the thermodynamic barrier, enabling high C 2+ selectivity and activity.
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