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上海大学钟淼课题组:在纳米限域界面建立不对称中间吸附加速电催化CO2还原为多碳

时间:2023-05-22 13:03:01 点击:226次

借助可再生电能将气体(CO2)转化为其他具有附加值的多碳物质,具有科学意义和应用价值。 然而,CO2向C2+的转化是一个多电子还原过程,涉及不同反应中间体在电极表面的反应和转化。 如何实现高效的碳-碳偶联(C-C)是关键之一。 据悉,如何在碱性条件下使C-C偶联发生,提高CO2利用率,是决定反应整体能量利用效率的重点。 C-C偶联是电催化CO2还原成C2+的决速步骤,CO*中间体在催化剂表面的吸附能决定了C-C偶联的效率。 因此,改进多碳产物的关键是优化C-C偶联途径,提高反应效率。 由于C-C偶联反应的动力学平坦,高反应能垒和对多碳产物的低选择性阻碍了该反应的发展。

在这项研究工作中,我们构建了一个活跃的全局能量优化图来确定 C-C 偶联的最佳反应路径,并通过结合合金化和脱合金策略创建具有不对称 CO 吸附的相邻二元活性位点。 点,突破了单一金属的活性极限。我们以CO*吸附能为描述符进行过滤

具有铜基二元活性位点的 CuZn 最终被确定为最佳组合之一,突出了最佳的 C-C 偶联性能并降低了 CO2 向 C2+ 的转化反应的能垒。

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图 1.a. 气体电还原的全局能量优化图。 b. 铜基二元活性位点上 CO* 吸附能的筛选。 C。 气体电还原为多碳产品的反应相图。 d. 每个反应位点的活化能。

通过原位拉曼表征,我们否认 CuZn 催化剂在电催化 CO2 还原反应中具有更正的开启电位,表明 CuZn 合金产生的不对称 CO* 吸附位点促进了 C-C 偶联反应的动力学。电解质。 通过电物理流体动力学模拟,我们证明纳米多孔催化剂可以限制局部离子含量,进一步促进 CO2 质子化和 C-C 偶联。

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我们在薄层流动型电解池中进行了电催化CO2还原实验,结合反应条件(电解液、电位等)的优化,最终在碱性pH4条件下实现了31±2%的CO2-C2+单一转化率, > 80%的单一CO2利用效率。 在单个 CO2R 流动电解槽中,我们实现了 91±2% 的 C2+ 法拉第效率,包括 73±2% 的乙烯法拉第效率、31±2% 的全电池 C2+ 能量效率和 24±1% 的 CO2 单次转换。在 150 mAcm−2 的商业相关电压密度下运行超过 150 小时的速率达到了当前最先进的水平。

图 2.a。 纳米多孔 CuZn 催化剂上的电物理气体还原示意图。 b. 纳米多孔 CuZn 结构的表征。 c,d。 纳米孔中液体速度和离子含量的电物理流体动力学模拟。

碳材料电极的特点_玻碳片电极(10_碳电极

图 3.a。 CuZn催化剂在不同pH值下的多碳法拉第效率。 b. 不同 CO2 流速下多碳产品的单一转化。 C。 不同pH值下CuZn催化剂多碳产物的阴极能效。 d. 气体电还原稳定性试验。 e. CuZn 气体电还原与已发表研究的性能比较。

这项工作于 2023 年 3 月在线发表,标题为“to-” (doi: 10.1038/-023--x)。 北京大学现代工程与应用科学大学博士生张进和中国科学技术大学上海化学物理研究所博士后郭晨曦为该论文的共同第一作者。纸。 论文通讯作者。 该研究得到科技部国家重点研发计划、国家基金委自然科学基金项目、广东省“双创个人”和“双创团队”项目的支持,以及南京大学月球关键物质循环前沿科学中心项目.