Nat. Commun.：電流和電位對Cu的CO2電還原選擇性的影響

【引言】

CO₂電還原作為一種新興碳捕集方式，其通過利用電能將CO₂轉化為燃料或化學原料。在眾多金屬電催化劑中，Cu是唯一一種可將CO₂有效轉化為烴類或含氧化合物的金屬，其催化活性一般與表面形貌、顆粒尺寸、晶粒尺寸與晶面、晶界、應力、電極表面局部pH值升高、存在原子尺度缺陷或催化劑中殘留氧原子等有關，但其催化機理尚不明確。然而，施加偏壓對催化劑選擇性的影響尚待系統研究。

【成果簡介】

近日，新加坡國立大學Boon Siang Yeo副教授（通訊作者）等人設計了四種具有不同粗糙度的Cu催化劑。通過調節催化劑形貌改變粗糙度，從而使催化劑在特定電位下呈現出合適的電流密度。首先，通過拉曼光譜表征，研究者發現^*CO是Cu催化CO₂還原為烴的關鍵中間產物，并且CuO薄膜在CO₂電還原過程中變為Cu，表明催化活性位點為金屬Cu。然后，對四種催化劑不同產物的選擇性研究發現，不同產物會在特定電壓范圍下形成。另外，通過對前人工作總結得出，在相同的電位窗口下，不同的Cu單晶會選擇性生成某一種產物，如CH₄或C₂H₄等。此外，對20種其他Cu催化劑的選擇性研究發現，CH₄、C₂H₄和HCOO^-/CO分別在<-1.1V、-0.9V~-1.1V以及>-0.9V的電位窗口下產生。最后，結合理論計算分析主要產物的反應機理，與實驗結果互相印證。

【圖文導讀】

圖一 四種Cu催化劑表征

a-h) 四種Cu催化劑的SEM及SAED圖，標尺a-g) 為1μm，a-d) 插圖為5nm^-1

i) CuO表面的非原位拉曼光譜

j) CuO-60在CO₂電還原時的原位拉曼光譜及時間電流曲線

圖二 四種催化劑的CO₂電還原性能

a-b) 四種催化劑總電流密度及CO₂電還原電流密度

c) Cu-10和CuO-1催化產生CH₄的法拉第效率

d) CuO-1、CuO-10和CuO-60催化產生C₂H₄和C₂H₅OH的法拉第效率

e) CuO-60催化產生CO和HCOOH的法拉第效率

圖三 CO₂電還原的反應機制

a) C₁產物生成路徑

b) C₂產物生成路徑

圖4 各產物選擇性產生的電位窗口

a) 文獻中不同Cu單晶催化產生各產物的法拉第效率

b) 其他研究組報導的Cu催化劑選擇性

【小結】

這項研究工作主要探究了施加偏壓以及電流對產物選擇性的影響，提出通過調節形貌改變催化劑粗糙度，從而影響在特定電位下的電流密度。為合理設計高選擇性Cu催化劑提供了有效思路。

文獻鏈接：The effects of currents and potentials on the selectivities of copper toward carbon dioxide electroreduction （Nat. Commun.，2018，DOI: 10.1038/s41467-018-03286-w）

本文由材料人編輯部新人組劉思宇編輯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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