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Stabilizing *CO intermediate on nitrogen-doped carbon-coated CuxOy derived from metal–organic framework for enhanced electrochemical CO2-to-ethylene
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-12-10 , DOI: 10.1039/d4ta06722c Na Zhang, Yunlong Zhang
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-12-10 , DOI: 10.1039/d4ta06722c Na Zhang, Yunlong Zhang
The electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) provides a means for producing ethylene, but its selectivity and stability still need further improvement. Therefore, the development of high-performance electrocatalysts is particularly important. Here, we designed a catalyst CuxOy/CN with a nitrogen-doped carbon (CN) coating, which was prepared by pyrolysis of a nitrogen-containing Cu-based MOF with high porosity, using it as a sacrificial template. For the CO2RR, the CuxOy/CN catalyst demonstrates very good ethylene selectivity, achieving a faradaic efficiency (FE) of 44% at a current density of 500 mA cm−2. Impressively, the CuxOy/CN catalyst has a higher partial current density for ethylene in the CO2RR process, reaching about 220 mA cm−2, compared with other catalysts recorded in the literature. After the CO2RR, the CuxOy/CN catalyst exposed the Cu(100) facet and the Cu+/Cu0 interface, which favored the generation of ethylene. Operando Raman spectroscopy indicates that the CN coating efficiently stabilizes Cu+ species under CO2 electroreduction conditions. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the CN coating stabilizes *CO intermediates. The CN-coated Cu+/Cu0 interface sites on the CuxOy/CN catalyst enhance *CO adsorption, increase *CO coverage, promote C–C coupling, and thus improve ethylene selectivity and stability.
中文翻译:
稳定源自金属有机框架的氮掺杂碳涂层 CuxOy 上的 *CO 中间体,用于增强电化学 CO2 制乙烯
电化学 CO2 还原反应 (CO2RR) 提供了一种生产乙烯的方法,但其选择性和稳定性仍需进一步提高。因此,开发高性能电催化剂尤为重要。在这里,我们设计了一种带有氮掺杂碳 (CN) 涂层的催化剂 CuxOy/CN,它是通过热解具有高孔隙率的含氮 Cu 基 MOF 制备的,将其用作牺牲模板。对于 CO2RR,CuxOy/CN 催化剂表现出非常好的乙烯选择性,在 500 mA cm-2 的电流密度下实现了 44% 的法拉第效率 (FE)。令人印象深刻的是,与文献中记录的其他催化剂相比,CuxOy/CN 催化剂在 CO2RR 工艺中对乙烯的分电流密度更高,达到约 220 mA cm-2。在 CO2RR 之后,CuxOy/CN 催化剂暴露了 Cu(100) 面和 Cu+/Cu0 界面,这有利于乙烯的生成。操作符拉曼光谱表明,CN 涂层在 CO2 电还原条件下有效稳定 Cu+ 物质。密度泛函理论 (DFT) 计算表明,CN 涂层可以稳定 *CO 中间体。 CuxOy/CN 催化剂上 CN 包覆的 Cu+/Cu0 界面位点增强了 *CO 吸附,增加了 *CO 覆盖率,促进了 C-C 偶联,从而提高了乙烯的选择性和稳定性。
更新日期:2024-12-10
中文翻译:
稳定源自金属有机框架的氮掺杂碳涂层 CuxOy 上的 *CO 中间体,用于增强电化学 CO2 制乙烯
电化学 CO2 还原反应 (CO2RR) 提供了一种生产乙烯的方法,但其选择性和稳定性仍需进一步提高。因此,开发高性能电催化剂尤为重要。在这里,我们设计了一种带有氮掺杂碳 (CN) 涂层的催化剂 CuxOy/CN,它是通过热解具有高孔隙率的含氮 Cu 基 MOF 制备的,将其用作牺牲模板。对于 CO2RR,CuxOy/CN 催化剂表现出非常好的乙烯选择性,在 500 mA cm-2 的电流密度下实现了 44% 的法拉第效率 (FE)。令人印象深刻的是,与文献中记录的其他催化剂相比,CuxOy/CN 催化剂在 CO2RR 工艺中对乙烯的分电流密度更高,达到约 220 mA cm-2。在 CO2RR 之后,CuxOy/CN 催化剂暴露了 Cu(100) 面和 Cu+/Cu0 界面,这有利于乙烯的生成。操作符拉曼光谱表明,CN 涂层在 CO2 电还原条件下有效稳定 Cu+ 物质。密度泛函理论 (DFT) 计算表明,CN 涂层可以稳定 *CO 中间体。 CuxOy/CN 催化剂上 CN 包覆的 Cu+/Cu0 界面位点增强了 *CO 吸附,增加了 *CO 覆盖率,促进了 C-C 偶联,从而提高了乙烯的选择性和稳定性。