给你一瓶魔法气泡水：CO2过饱和实现高效C3产物制备

【导读】

电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）的发展使碳基燃料、基础化学品的绿色可持续生产成为可能。尽管近几年已开发出可将CO₂转化为CO、HCOOH及C₂H₄等产物，催化活性与产物选择性兼备的催化材料。但对于高附加值多碳产物（C ≥ 3）尤其是多碳醇的制备，以往研究受限于：转化效率低（≤ 20%），能量效率差（≤ 10%），稳定性差（≤ 15小时）。

【成果掠影】

基于此，法国国家科学研究中心Kun Qi与Damien Voiry等人通过过饱和CO₂反应策略，成功在高度碳酸化的常温水相电解液体系中以高转化效率（56.7%）、高能量效率（22.7%）、优良稳定性（200小时）对固碳反应的罕见C₃产物——异丙醇进行了高效电化学制取。该论文以《Unlocking direct CO₂ electrolysis to C₃ products via electrolyte supersaturation》为题发表在Nature Catalysis上。

【核心创新点】

该研究报导了一种通过调控反应体系CO₂过饱和度实现高效多碳醇制备的策略。

【数据概览】

图1 CuAg合金电催化材料原位结构及配位环境表征。© 2023 Springer Nature

图2 常压过饱和状态下电催化CO₂还原性能研究。© 2023 Springer Nature

图3 常压过饱和状态下CO₂ 电催化还原反应生成多碳产物的机理研究。© 2023 Springer Nature

图4 高压高过饱和度状态下电催化CO₂还原性能研究。© 2023 Springer Nature

【成果启示】

该改工作引入了新型CO₂过饱和策略，用于进行电催化反应将 CO₂ 直接转化为 C₃ 产物。在催化材料的制备方面，CO₂ 的过饱和条件通过抑制导致 Cu 和 Ag 相分离的电置换反应，使得CuAg进行可控共沉积形成均相合金。在过饱和条件下进行CO₂的电还原也将反应路径定向为异丙醇的形成。通过使用采用原位拉曼光谱、FTIR和hXAS光谱以及非原位同位素标记实验和DFT计算，详细探讨了导致C₃产物形成的高选择性的机制。确定了*CO反应中间体在C₁-C₁偶联反应中的作用，以及 *OCH₂CH₃ 作为选择性形成异丙醇的关键中间体的效用。实验数据和理论计算结果进一步强调了 CuAg 合金催化剂对异丙醇形成的重要性，并突出了过饱和策略在 CO­₂RR 过程中增加局部CO₂浓度的优势。该工作实现了破纪录的异丙醇56.7%的高选择性和59.3mA cm^-2的电流密度以及长达200小时稳定性。我们的研究提供了通过控制局部CO₂浓度和关键反应中间体的形成速率来选择性调整反应途径的思路。该CO₂过饱和反应策略有望在大规模固碳反应。实现高附加值、高能量多碳分子产物的生产以及以化学燃料形式储存能量方面得到应用。

原文详情：Qi, K., Zhang, Y., Onofrio, N. et al. Unlocking direct CO₂ electrolysis to C₃ products via electrolyte supersaturation. Nat Catal (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-00938-z

本文由Kun Qi供稿