Nature Comunication——Cu表面氢氧化物氧化物掺杂显著提高乙醇催化效率

摘要

用二氧化碳，水和可再生的电力来生产液体燃料，例如乙醇，为储存可持续能源提供了一条途径。寻找用于CO2还原反应的有效电催化剂依赖于调节碳质中间体的吸附强度。在这里，报告了一种补充方法，利用催化剂表面的氢氧化物和氧化物掺杂来调整铜上吸附的氢。密度泛函理论研究表明，这种掺杂加速了水的离解并改变了氢在铜上的吸附能。合成并研究了一组金属氢氧化物界面掺杂的铜催化剂，发现最有效的Ce（OH）x掺杂的Cu表现出43％的乙醇法拉第效率和部分电流密度128mA cm-2。机理研究将氢析出性能的研究与拉曼光谱的结果结合在一起，表明吸附的氢会氢化* HCCOH表面，HCCOH是决定中间体向乙醇与乙烯分支的关键中间体。

氧化物改性的铜表面上的水活化。a在各种表面上计算出的水离解反应能和氢吸附能。b CeO2/Cu在有和没有吸附氢的情况下的表面构型。

Ce（OH）x改性Cu催化剂的结构表征。a扫描电子显微镜图像，b Cu和Ce的STEM图像和相应的EDX映射，c高倍数SEM图像，d Ce（OH）x/Cu/PTFE的高分辨率透射电子显微镜图像。红色虚线强调界面，插图显示对应于黄色方框的FFT模式。Ce（OH）x/Cu/PTFE催化剂在许多操作电势下的XAS e图操作Cu K边缘 f图在Ce L3边缘操作。

二氧化碳在各种电势下的电还原性能。Ce（OH）x/Cu/PTFE和裸露的Cu/PTFE的乙醇部分电流密度。b在相对于RHE的-0.7 V下，Ce（OH）x/Cu/PTFE和裸露的Cu/PTFE的产物分布。c与工作电流密度高于10 mA cm-2的其他报告相比，能量效率是Ce（OH）x/Cu/PTFE上部分电流密度的函数。Ce（OH）x/Cu/PTFE催化剂的d–t曲线（左轴）以及相应的乙醇法拉第效率（右轴）。e各种氢氧化物/氧化物改性的Cu / PTFE电极的产物分布，以及相应的C2H5OH/C2H4比。误差线表示至少三个独立测试的标准偏差。

乙烯和乙醇途径的密度泛函理论计算。 几何结构的顶视图是乙醇关键反应对应的a初始状态，b过渡态和c最终状态，以及乙烯反应的d初始状态，e过渡态和f最终状态。红色，白色，灰色和橙色的球分别表示氧，氢，碳和铜，粉红色的球表示在H吸附在铜上。

原文

Hydroxide promotes carbon dioxide electroreduction to ethanol on copper via tuning of adsorbed hydrogen