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金(Au)是最具选择性和活性的从CO2中生成CO的电催化剂之一,对Au催化CO2电化学还原的原位衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)研究表明,反应只在Au表面的顶部进行。该发现值得通过改进的光谱电化学系统进行更新,在该系统中,可以在产生高CO选择性的真实反应条件下进行原位IR测量。
基于此,美国耶鲁大学王海梁教授(通讯作者)等人报道了在同一个光谱电化学电池中验证的具有高CO2还原催化活性和强表面增强IR信号的Au涂层Si ATR晶体电化学电极,从而探索桥连*CO物种(*COB)的吸附和解吸附行为。

在文中,作者成功地开发了一种新工艺,可以在Si ATR晶体的表面上沉积催化和光谱活性的Au层。在光谱电化学电池中,测量得到的Si//Au电极在-0.5 V至-0.8 V vs. RHE的电势范围内具有合理的电流密度和稳定性。这种催化性能与在标准H-型电化学电池中测量的典型多晶Au催化电极的性能相当,使得能够对具有基准CO2还原反应性的Au电极进行原位ATR-FTIR研究。

作者发现在CO2还原的最初几十秒内,Au表面会发生重组,从而增加了用于CO吸附的桥位点,而以前没有报道过。使用时间分辨扫描(TRS)表征发现,首次测量了*COB从Au表面解吸的动力学作为外加电极电位的函数。通过电化学滴定法定量了*COB表面浓度,并与IR峰面积相关。
通过研究*COB的电位依赖性解吸动力学并量化反应条件下*COB的稳态表面浓度,进一步表明*COB是该Au电极上CO2还原为CO的活性反应中间体。在中等过电位下,高达38%的反应发生在桥位点上。

Bridge Sites of Au Surfaces Are Active for Electrocatalytic CO2 Reduction. J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c01098.
https://doi.org/10.1021/jacs.2c01098.

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