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Highly selective electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by metallic clusters dynamically formed from atomically dispersed copper

催化作用 法拉第效率 材料科学 电化学 色散(光学) 选择性 可逆氢电极 无机化学 电极 金属 乙醇 化学工程 化学 冶金 工作电极 有机化学 物理化学 工程类 物理 光学
作者
Haiping Xu,Dominic Rebollar,Haiying He,Lina Chong,Yuzi Liu,Cong Liu,Cheng‐Jun Sun,Tao Li,John V. Muntean,Randall E. Winans,Di‐Jia Liu,Tao Xu
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:5 (8): 623-632 被引量:678
标识
DOI:10.1038/s41560-020-0666-x
摘要

Direct electrochemical conversion of CO2 to ethanol offers a promising strategy to lower CO2 emissions while storing energy from renewable electricity. However, current electrocatalysts offer only limited selectivity toward ethanol. Here we report a carbon-supported copper (Cu) catalyst, synthesized by an amalgamated Cu–Li method, that achieves a single-product Faradaic efficiency (FE) of 91% at −0.7 V (versus the reversible hydrogen electrode) and onset potential as low as −0.4 V (reversible hydrogen electrode) for electrocatalytic CO2-to-ethanol conversion. The catalyst operated stably over 16 h. The FE of ethanol was highly sensitive to the initial dispersion of Cu atoms and decreased significantly when CuO and large Cu clusters become predominant species. Operando X-ray absorption spectroscopy identified a reversible transformation from atomically dispersed Cu atoms to Cun clusters (n = 3 and 4) on application of electrochemical conditions. First-principles calculations further elucidate the possible catalytic mechanism of CO2 reduction over Cun. Electrocatalytically reducing CO2 to ethanol can provide renewably generated fuel, but catalysts are often poorly selective for this conversion. Here the authors use a Cu catalyst to produce ethanol with high selectivity. Cu dispersion is key to the performance and operando studies indicate that it changes under reaction conditions.
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