香港科技大学邵敏华团队EcoMat:微波辅助策略实现CO2RR氧化物衍生铜纳米片催化剂的简易合成


一、【导读】

快速的工业化和经济增长引起了化石燃料的巨大消耗,并释放了大量的二氧化碳(CO2)进入大气层,从而加剧了全球变暖和气候变化。通过电化学方法将CO2还原(CO2RR)转换为各种增值化学品,是碳捕获与利用的最有前途手段之一。CO2RR的产物种类繁多,与一氧化碳和甲酸等C1产物相比,乙烯、乙醇和丙醇等C2+产物具有更高的能量密度和附加值。然而,由于CO2RR的反应机理复杂,对单一产物的低选择性仍然是瓶颈问题。作为唯一能够产生C2+产物的铜基催化剂,调控其表面结构对优化调控关键中间体的催化反应途径至关重要。在各类铜基纳米催化剂中,尽管氧化物衍生铜(OD-Cu)在利用CO2RR制备碳氢化合物中展示出优异性能,但目前报道的制备工艺如等离子体照射、空气氧化、电解抛光等手段较为复杂且难以控制,急需一种高效制备OD-Cu纳米催化剂的简便方法。

二、【成果掠影】

在此,香港科技大学邵敏华教授葛婧捷博士(共同通讯作者)等人开发了一种简单的微波辅助方法来合成氧化物衍生的Cu纳米片(OD-Cu NS),并揭示了Cu的氧化态能够通过改变Cu前驱体量来控制。值得注意的是,纳米级Cu结构的形成会影响OD-Cu NS的表面粗糙度。结果显示,在中性KHCO3溶液中,部分氧化的Cu表面对C2+产物表现出高达72%的法拉第效率(FE),其部分电流密度为55 mA cm-2。更重要的是,由此得到的OD-Cu NS,通过强结合能促进了CO2分子解离,以及通过增大的电化学表面积促进了C2+化合物制备,显示出协同作用。本文也为设计高效的CO2RR OD-Cu催化剂提供了新的思路。

相关研究成果以“Facile design of oxide-derived Cu nanosheet electrocatalyst for CO2 reduction reaction”为题发表在EcoMat上。

三、【核心创新点】

1.本成功开发了一种由微波辐照方法制备氧化物衍生Cu NSs的策略,其中Cu前驱体促进了粗糙表面的形成;

2.由本文提出的催化剂实现C2+产物高达72%的法拉第效率,其部分电流密度为55 mA cm-2

四、【数据概览】

1 材料的物理性质表征。

(A-D)CuO NS、OD-Cu NSs Cu-30和Cu-100的透射电镜(TEM)图像;

(E)CuO NS、Cu-30和Cu-100的XRD图谱。

2 商业化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100的Cu 2p2/3和Cu LMM Auger区域的XPS光谱。

3 商业化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100的电化学CO2RR性能。

(A)Cu-30在CO2-和Ar-饱和的0.1 M KHCO3电解液中,电解1h后的LSV曲线;

(B)在1.1V的电位下整体法拉第效率(FE);

(C)整体C2+产物的部分FE。

4 NS电解后的物理化学性质。

(A,B)在CO2饱和0.1 M KHCO3电解液中的双层电容,以及商业化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100在Ar饱和0.1 M KHCO3电解液中的LSV曲线和得到的OHads峰;

(C)电解Cu-30 1h后的XPS光谱。

五、【成果启示】

综上所述,本文开发了一种简便的微波辐照方法来制备氧化物衍生的Cu NSs,其中额外添加的Cu前驱体产生了粗糙的表面,其纳米结构域沉积在原始Cu NSs上。同时,在Cu-30的XPS光谱上可以明显地观察到部分氧化的Cu+价态,且由于较大的表面积和Cu+的存在,Cu-30的FEC2+可提高到72%,C2+产物的部分电流密度可达55 mA cm-2。因此,这种简便的微波辅助制造方法将为高效设计氧化物衍生Cu催化剂,利用CO2RR高效合成C2+产物提供了重要方向。

文献链接:“Facile design of oxide-derived Cu nanosheet electrocatalyst for CO2 reduction reactionEcoMat2023,10.1002/eom2.12334

本文由材料人CYM编译供稿。

 

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