Multifunctional Molecular Cages Boost Acidic CO 2 Electroreduction to Ethylene

化学 吸附 催化作用 选择性 法拉第效率 乙烯 溴化物 密度泛函理论 无机化学 原位 选择性吸附 嫁接 乙二醇 电化学 联轴节(管道) 化学工程 光化学 多相催化 碳酸乙烯酯 偶联反应 氧化还原 碳纤维 组合化学 氢氧化物 金属 插层(化学) 分子
作者
Qin Chen,Yao Tan,Hao Yu,Ziwen Mei,Liu Y,Yusen Xiao,Zining Wang,Ting-Shan Chan,Hui Li,Kang Liu,Zhang Lin,Liyuan Chai,Min Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (19): 19588-19597 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22440
摘要

Acidic electrocatalytic CO 2 reduction (CO 2 RR) to multicarbon (C 2+ ) products offers a promising pathway for efficient carbon utilization, as acidic media suppress carbonate formation and improve CO 2 availability. However, two intrinsic limitations, rapid reduction of Cu + to Cu 0 and fast desorption/diffusion of the *CO intermediate, severely hindered C–C coupling and thus diminish ethylene (C 2 H 4 ) selectivity in acidic CO 2 RR. Here, we constructed a molecular cage on the Cu 2 O surface by grafting cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), which simultaneously stabilized Cu + and restricted *CO diffusion, thereby enabling efficient CO 2 -to-C 2 H 4 conversion under strongly acidic conditions. Density functional theory calculations revealed that the molecular cage significantly increased local *CO coverage, which lowered the C–C coupling energy barrier while raising the energy barrier for hydrogen evolution reduction. In situ attenuated total reflection infrared spectroscopy demonstrated that CTAB-induced confinement strengthened *CO adsorption and slowed its surface diffusion, accelerating the C–C coupling kinetics. Furthermore, in situ X-ray adsorption near-edge structure confirmed that the molecular cage effectively prevented the reduction of Cu + to metallic Cu, maintaining the active Cu + species during operation. As a result, the optimized Cu 2 O@CTAB catalyst delivered a high C 2 H 4 Faradaic efficiency of 60% across 300–1100 mA cm –2 in the strongly acidic electrolyte. Notably, it achieved a CO 2 single-pass utilization of 64.7%, an energy efficiency of 37.9%, and stable operation for over 195 h at 500 mA cm –2 toward C 2+ products. This work presents a generalizable molecular-cage strategy for overcoming intrinsic bottlenecks in acidic CO 2 RR toward efficient C 2+ product formation.
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