Verfolgung eines gemeinsamen, oberflächengebundenen Zwischenprodukts während der CO2-zu-Kraftstoffen-Katalyse

Das rationale Design selektiver CO2-zu-Kraftstoffen-Elektrokatalysatoren erfordert direkte Kenntnisse über die Struktur der Elektrodenoberfläche während des Umwandlungsprozesses. Metallisches Cu ist der vielseitigste Katalysator für CO2-zu-Kraftstoffen und in der Lage, eine Vielzahl von wertschöpfenden Produkten zu erzeugen, einschließlich Methan, Ethylen und Ethanol. Alle diese Produkte werden angenommen, durch ein gemeinsames, oberflächengebundenes CO-Zwischenprodukt zu entstehen. Daher spielen die Kinetik und Thermodynamik der CO-Adsorption an Cu eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Selektivität und Effizienz der Kraftstoffproduktion, was die Notwendigkeit einer direkten Beobachtung der CO-Oberflächenbindungs-Gleichgewichte unter katalytischen Bedingungen hervorhebt. Hier synthetisieren wir nanostrukturierte Cu-Filme, die an IR-transparenten Si-Prismen haften, und stellen fest, dass diese Cu-Oberflächen die IR-Absorption gebundener Moleküle verbessern. Unter Verwendung dieser Filme als Elektroden untersuchen wir die CO2-Reduktion, katalysiert durch Cu, in situ mittels IR-Spektroelektrochemie. Wir beobachten, dass Cu-Oberflächen elektrogeneriertes CO binden, das aus CO2 stammt, beginnend bei -0,60 V vs RHE mit zunehmender Oberflächenpopulation bei negativeren Potenzialen. Adsorbiertes CO ist im dynamischen Gleichgewicht mit gelöstem (13)CO und tauscht sich unter katalytischen Bedingungen schnell aus. Die CO-Adsorptionsprofile sind pH-unabhängig, jedoch erfahren adsorbierte CO-Spezies eine reversible Umwandlung an der Oberfläche in mäßig alkalischen Elektrolyten. Diese Studien etablieren die Abhängigkeiten von Potenzial, Konzentration und pH der CO-Oberflächenpopulation an Cu, die dazu dienen, einen Pool dieses vitalen Zwischenprodukts aufrechtzuerhalten, das für eine weitere Reduktion zu höherwertigen Kraftstoffprodukten bereit ist.