The utilization of solar energy on a large scale requires its storage. In natural photosynthesis, energy from sunlight is used to rearrange the bonds of water to oxygen and hydrogen equivalents. The realization of artificial systems that perform "water splitting" requires catalysts that produce oxygen from water without the need for excessive driving potentials. Here we report such a catalyst that forms upon the oxidative polarization of an inert indium tin oxide electrode in phosphate-buffered water containing cobalt (II) ions. A variety of analytical techniques indicates the presence of phosphate in an approximate 1:2 ratio with cobalt in this material. The pH dependence of the catalytic activity also implicates the hydrogen phosphate ion as the proton acceptor in the oxygen-producing reaction. This catalyst not only forms in situ from earth-abundant materials but also operates in neutral water under ambient conditions.

Modified Cu electrodes were prepared by annealing Cu foil in air and electrochemically reducing the resulting Cu2O layers. The CO2 reduction activities of these electrodes exhibited a strong dependence on the initial thickness of the Cu2O layer. Thin Cu2O layers formed by annealing at 130 °C resulted in electrodes whose activities were indistinguishable from those of polycrystalline Cu. In contrast, Cu2O layers formed at 500 °C that were ≥ ∼3 μm thick resulted in electrodes that exhibited large roughness factors and required 0.5 V less overpotential than polycrystalline Cu to reduce CO2 at a higher rate than H2O. The combination of these features resulted in CO2 reduction geometric current densities >1 mA/cm2 at overpotentials <0.4 V, a higher level of activity than all previously reported metal electrodes evaluated under comparable conditions. Moreover, the activity of the modified electrodes was stable over the course of several hours, whereas a polycrystalline Cu electrode exhibited deactivation within 1 h under identical conditions. The electrodes described here may be particularly useful for elucidating the structural properties of Cu that determine the distribution between CO2 and H2O reduction and provide a promising lead for the development of practical catalysts for electrolytic fuel synthesis.

Carbon dioxide reduction is an essential component of many prospective technologies for the renewable synthesis of carbon-containing fuels. Known catalysts for this reaction generally suffer from low energetic efficiency, poor product selectivity, and rapid deactivation. We show that the reduction of thick Au oxide films results in the formation of Au nanoparticles ("oxide-derived Au") that exhibit highly selective CO2 reduction to CO in water at overpotentials as low as 140 mV and retain their activity for at least 8 h. Under identical conditions, polycrystalline Au electrodes and several other nanostructured Au electrodes prepared via alternative methods require at least 200 mV of additional overpotential to attain comparable CO2 reduction activity and rapidly lose their activity. Electrokinetic studies indicate that the improved catalysis is linked to dramatically increased stabilization of the CO2•– intermediate on the surfaces of the oxide-derived Au electrodes.

The mechanism of the oxygen evolution reaction (OER) by catalysts prepared by electrodepositions from Co(2+) solutions in phosphate electrolytes (Co-Pi) was studied at neutral pH by electrokinetic and (18)O isotope experiments. Low-potential electrodepositions enabled the controlled preparation of ultrathin Co-Pi catalyst films (<100 nm) that could be studied kinetically in the absence of mass transport and charge transport limitations to the OER. The Co-Pi catalysts exhibit a Tafel slope approximately equal to 2.3 × RT/F for the production of oxygen from water in neutral solutions. The electrochemical rate law exhibits an inverse first order dependence on proton activity and a zeroth order dependence on phosphate for [Pi] ≥ 0.03 M. In the absence of phosphate buffer, the Tafel slope is increased ∼3-fold and the overall activity is greatly diminished. Together, these electrokinetic studies suggest a mechanism involving a rapid, one electron, one proton equilibrium between Co(III)-OH and Co(IV)-O in which a phosphate species is the proton acceptor, followed by a chemical turnover-limiting process involving oxygen-oxygen bond coupling.

The importance of tin oxide (SnOx) to the efficiency of CO2 reduction on Sn was evaluated by comparing the activity of Sn electrodes that had been subjected to different pre-electrolysis treatments. In aqueous NaHCO3 solution saturated with CO2, a Sn electrode with a native SnOx layer exhibited potential-dependent CO2 reduction activity consistent with previously reported activity. In contrast, an electrode etched to expose fresh Sn0 surface exhibited higher overall current densities but almost exclusive H2 evolution over the entire 0.5 V range of potentials examined. Subsequently, a thin-film catalyst was prepared by simultaneous electrodeposition of Sn0 and SnOx on a Ti electrode. This catalyst exhibited up to 8-fold higher partial current density and 4-fold higher faradaic efficiency for CO2 reduction than a Sn electrode with a native SnOx layer. Our results implicate the participation of SnOx in the CO2 reduction pathway on Sn electrodes and suggest that metal/metal oxide composite materials are promising catalysts for sustainable fuel synthesis.

A water oxidation catalyst generated via electrodeposition from aqueous solutions containing phosphate and Co2+ (Co−Pi) has been studied by in situ X-ray absorption spectroscopy. Spectra were obtained for Co−Pi films of two different thicknesses at an applied potential supporting water oxidation catalysis and at open circuit. Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectra indicate the presence of bis-oxo/hydroxo-bridged Co subunits incorporated into higher nuclearity clusters in Co−Pi. The average cluster nuclearity is greater in a relatively thick film (∼40−50 nmol Co ions/cm2) deposited at 1.25 V vs NHE than in an extremely thin film (∼3 nmol Co ions/cm2) deposited at 1.1 V. X-ray absorption near edge structure (XANES) spectra and electrochemical data support a Co valency greater than 3 for both Co−Pi samples when catalyzing water oxidation at 1.25 V. Upon switching to open circuit, Co−Pi undergoes a continuous reduction due to residual water oxidation catalysis, as indicated by the negative shift of the edge energy. The rate of reduction depends on the average cluster size. On the basis of structural parameters extracted from fits to the EXAFS data of Co−Pi with two different thicknesses and comparisons with EXAFS spectra of Co oxide compounds, a model is proposed wherein the Co oxo/hydroxo clusters of Co−Pi are composed of edge-sharing CoO6 octahedra, the structural motif found in cobaltates. Whereas cobaltates contain extended planes of CoO6 octahedra, the Co−Pi clusters are of molecular dimensions.

Going with the grain boundaries Bulk defects in a metal, such as grain boundaries, can create regions of increased strain at its surface that could affect its catalytic activity. Mariano et al. studied the electroreduction of CO 2 to CO on polycrystalline gold films, a reaction that competes with H 2 evolution. By annealing the films to create larger grains, they could change the types and distribution of grain boundaries at the surface. Scanning electrochemical cell microscopy revealed that the dislocation density correlated with CO 2 electroreduction activity, but such defects had no effect on H 2 evolution. Science , this issue p. 1187

Uncovering new structure–activity relationships for metal nanoparticle (NP) electrocatalysts is crucial for advancing many energy conversion technologies. Grain boundaries (GBs) could be used to stabilize unique active surfaces, but a quantitative correlation between GBs and catalytic activity has not been established. Here we use vapor deposition to prepare Au NPs on carbon nanotubes (Au/CNT). As deposited, the Au NPs have a relatively high density of GBs that are readily imaged by transmission electron microscopy (TEM); thermal annealing lowers the density in a controlled manner. We show that the surface-area-normalized activity for CO2 reduction is linearly correlated with GB surface density on Au/CNT, demonstrating that GB engineering is a powerful approach to improving the catalytic activity of metal NPs.

CO electroreduction activity on oxide-derived Cu (OD-Cu) was found to correlate with metastable surface features that bind CO strongly. OD-Cu electrodes prepared by H2 reduction of Cu2O precursors reduce CO to acetate and ethanol with nearly 50% Faradaic efficiency at moderate overpotential. Temperature-programmed desorption of CO on OD-Cu revealed the presence of surface sites with strong CO binding that are distinct from the terraces and stepped sites found on polycrystalline Cu foil. After annealing at 350 °C, the surface-area corrected current density for CO reduction is 44-fold lower and the Faradaic efficiency is less than 5%. These changes are accompanied by a reduction in the proportion of strong CO binding sites. We propose that the active sites for CO reduction on OD-Cu surfaces are strong CO binding sites that are supported by grain boundaries. Uncovering these sites is a first step toward understanding the surface chemistry necessary for efficient CO electroreduction.