ACS Catalysis: 原子分散銅金合金高效電催化還原一氧化碳制乙酸鹽

一、【導讀】

? ?近年來，由可再生電力驅動的CO₂電化學還原反應（CO₂RR）轉化為有價值的燃料和化學品，是解決當前全球化變暖以及大氣污染的一種有前途的方法。目前，CO₂RR多在強堿電解質中進行，以抑制競爭性析氫反應，提高反應動力學。然而，CO₂與OH^-反應生成碳酸氫鹽/碳酸鹽導致了顯著的反應物損失和CO₂回收的大量能量損失。幸運的是，這個問題可以將CO₂還原為CO之后，再通過電化學CO還原反應（CORR）來解決。因此，CORR在多碳產品的綠色合成中得到了廣泛的關注。乙酸鹽因其高的商業價值和龐大的市場規模而極具有吸引力，預計到2025年全球市場將達到2450萬噸的需求。然而，目前只有銅基催化劑被證明能有效的將CO電化學轉化為乙酸鹽。因此，合理設計和開發高活性轉化和穩定的銅基催化劑是目前CORR轉化乙酸鹽的關鍵熱點研究之一。

二、【成果掠影】

? ?近日，新南威爾士大學趙川教授團隊報道了一種具有豐富原子 Cu-Au 界面的 Cu-Au合金催化劑，以高效地驅動CORR生產乙酸鹽。并為乙酸鹽提供了最大的法拉第效率（39%）和部分電流密度（217 mA cm^-2）。相關的研究成果以“Atomically Dispersed Cu–Au Alloy for Efficient Electrocatalytic Reduction of Carbon Monoxide to Acetate ”為題發表在ACS Catalysis上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者展示了一種Cu-Au合金。原子孤立的Au在Cu主體上均勻分布，用于增強CORR。Au與多晶Cu合金化形成串聯催化劑體系，以提高Cu上的*CO覆蓋率，加速C-C鍵的形成。?

? ?2、在工業相關電流密度為315 mA cm^-2時，C₂₊物種的總法拉第效率為58%。DFT計算表明，Au原子的引入削弱了*CO + *CO的結合強度，并改善了C-C的耦合，從而有利于乙酸和C2+產物的形成。

四、【數據概覽】

圖1 Cu-Au催化劑合成和結構表征。(a) CuAu_1%和 CuAu_30%制備示意圖。(b) CuAu_1%的SEM。(c) CuAu_1%?的 HAADF-STEM和 EDS 映射。(d) CuAu_30%的SEM。(e) CuAu_30%的 HAADF-STEM 和 EDS 圖譜。(f) XRD光譜。 (g) Cu NP、CuAu_1%和 CuAu_30%的Cu 2p XPS光譜。? 2023 ACS publication

圖2使用 1 M KOH 電解液的流通池中的CO電解。(a) Cu NPs、CuAu_1%和 CuAu_30%的 LSV 曲線；(b) CuAu_1%的 CORR產物分布；(c) CuAu_30%的CORR產物分布。Cu NPs、CuAu_1%和 CuAu_30%在不同的電流密度下的 (d) FE_乙酸鹽和 (e)?j_乙酸鹽。(f) CuAu_1%催化劑的 CO 轉化為乙酸鹽的轉化性能與其他報告的比較。? 2023 ACS publication

圖3 Cu-Au_1%催化的CORR DFT模擬。(a) 將CO電還原為乙酸鹽的模擬機制。(b) Cu (111)和Au摻雜Cu在0 V（相對于RHE）上形成乙酸的自由能演變。箭頭表示潛在的限制步驟。中間體的結構如圖S11 和 S12所示.?*CO 吸附在 (c) Cu (111) 和 (d) Au 摻雜 Cu (111) 的Au 原子上的優化結構的頂視圖（上）和側視圖（下）。*CO吸附的吸附自由能如下所示。(e) Cu (111)上的Cu原子和Au摻雜Cu (111)上的Au和Cu原子的d軌道的PDOS。? 2023 ACS publication

圖4 (a) 用于CORR 的堿性流通池示意圖。CuAu_1%在1、2和3 mg cm^–2?CB 上的(b) FE_乙酸鹽和 (c)?j_乙酸鹽。(d) X射線CT和 (e) CuAu_1%在自制GDL和2 mg cm^–2?CB上的材料分數。? 2023 ACS publication

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者成功通過簡便的一步還原策略制備了一種原子孤立的Au-Cu 合金催化劑，以實現CO至乙酸鹽的高效轉化。另外，作者著重地表明合適厚度的氣體擴散電極（GDEs）和致密的微孔層（MPL）對促進流動池中有效的質量運輸和乙酸鹽生產至關重要。本研究中的一步還原催化劑制備策略對于其他能源催化領域的不同金屬組合來開發單原子催化劑提供了一條通用途徑。

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原文詳情：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c06145

本文由K . L撰稿。