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Copper-catalysed exclusive CO2 to pure formic acid conversion via single-atom alloying

格式化 法拉第效率 催化作用 甲酸 电催化剂 质子化 电化学 化学 电解质 材料科学 无机化学 二氧化碳电化学还原 一氧化碳 电极 有机化学 离子 物理化学
作者
Tingting Zheng,Chunxiao Liu,Chenxi Guo,Menglu Zhang,Li Xu,Qiu Jiang,Weiqing Xue,Hongliang Li,Aowen Li,Chih‐Wen Pao,Jianping Xiao,Chuan Xia,Jie Zeng
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:16 (12): 1386-1393 被引量:497
标识
DOI:10.1038/s41565-021-00974-5
摘要

Converting CO2 emissions, powered by renewable electricity, to produce fuels and chemicals provides an elegant route towards a carbon-neutral energy cycle. Progress in the understanding and synthesis of Cu catalysts has spurred the explosive development of electrochemical CO2 reduction (CO2RR) technology to produce hydrocarbons and oxygenates; however, Cu, as the predominant catalyst, often exhibits limited selectivity and activity towards a specific product, leading to low productivity and substantial post-reaction purification. Here, we present a single-atom Pb-alloyed Cu catalyst (Pb1Cu) that can exclusively (~96% Faradaic efficiency) convert CO2 into formate with high activity in excess of 1 A cm-2. The Pb1Cu electrocatalyst converts CO2 into formate on the modulated Cu sites rather than on the isolated Pb. In situ spectroscopic evidence and theoretical calculations revealed that the activated Cu sites of the Pb1Cu catalyst regulate the first protonation step of the CO2RR and divert the CO2RR towards a HCOO* path rather than a COOH* path, thus thwarting the possibility of other products. We further showcase the continuous production of a pure formic acid solution at 100 mA cm-2 over 180 h using a solid electrolyte reactor and Pb1Cu.
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