廈門大學化學化工學院：制備出具有超乎尋常空氣穩定性和電催化選擇性的超薄銅納米片

【成果簡介】

近日，廈門大學化學化工學院鄭南峰教授課題組發展了一種制備穩定超薄二維銅基納米材料的有效方法，并將這類材料應用于二氧化碳的選擇性電催化還原。該研究成果以“Ultrastable Atomic Copper Nanosheets for Selective Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide”為題發表于Science Advances 。

【圖文導讀】

圖1 混合Cu / Ni（OH）₂納米片的顯微特征

（A）低放大倍數下的TEM圖像。 插圖：納米片分散在乙醇中的照片；

（B）通過切片獲得的納米片橫截面的TEM圖像；

（C）納米片的AFM圖像（頂部）和高度分布（底部）；

（D）單個納米片的HRTEM圖像。

圖2 混合Cu / Ni（OH）₂納米片的形成機理

【研究內容】

金屬銅表面很容易被空氣氧化，因此銅納米材料在空氣中極不穩定，如何制備原子級厚度的二維銅納米片一直是納米材料領域的一個挑戰性難題。在該項研究工作中，鄭南峰課題組首先利用“溶度積”這一簡單概念，通過離子溶出-沉淀平衡將Cu(II)沉積于預先形成的超薄氫氧化鎳納米片上，在溶液中存在大量甲酸根的條件下，形成表面富含Cu(II)并配位有甲酸根的氫氧化物納米片。在后續加熱過程中，表面配位的甲酸根將表面Cu(II)逐步還原為氧化亞銅直至金屬銅，最終得到可在空氣中穩定數月的銅-氫氧化鎳復合納米片。這些納米片上的超薄金屬銅之所以能得以穩定主要是因為其表面配體甲酸根的保護作用，在熱力學上甲酸根較金屬銅更易被氧化，但空氣氧化甲酸根的動力學卻很慢，甲酸根的表面配位作用無形中就保護了銅不被空氣氧化。重要的是，他們課題組還初步發現了所發展的方法對保護金屬銅表面具普適性，具重要應用潛力。該項研究還發現所合成的復合納米材料能夠將二氧化碳和水選擇性地電化學還原為組成可調的合成氣（一氧化碳和氫氣混合氣），在較低的還原電位下可高選擇性地將二氧化碳還原成一氧化碳(其法拉第效率高達92%)。銅基納米材料在二氧化碳電化學還原中具有優異的性能，但產物異常多樣，選擇性控制的難度很大。該項工作利用簡單的表面配位修飾大幅改善電催化選擇性的策略為二氧化碳還原電催化劑的設計提供了新思路。

該工作是在鄭南峰教授指導下并與傅鋼教授課題組、加拿大Dalhousie大學張鵬教授合作完成，第一作者為化學化工學院博士生代磊，碩士生欽青、博士生汪佩、趙小靜等參與了該工作。研究工作得到了科技部和國家自然科學基金委的資助，X-射線吸收光譜測試在上海光源BL14W1線站完成。

原文鏈接；http://chem.xmu.edu.cn/show.asp?id=2260。

文獻鏈接：Ultrastable Atomic Copper Nanosheets for Selective Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide（Science Advances， 2017，DOI：10.1126/sciadv.1701069）

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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