吉大鄢俊敏Adv. Mater. : 高活高效非晶態銅納米顆粒于電催化還原CO2中制備液體燃料的應用

【引言】

銅基材料能夠通過電催化還原CO₂直接產生碳氫化合物和醇等燃料，這一現象自20世紀80年代早期以來就吸引了眾多研究人員的關注。然而，大多數銅基催化劑在水溶液中電催化還原CO₂生成甲酸(HCOOH)和/或乙醇(C₂H₆O)時，選擇性(常伴隨CO、CH₄以及C₂H₄等氣體產物生成)和法拉第效率(FEs：0-34%，伴隨嚴重的析氫競爭反應)仍難以滿足需求。因此，為提高銅基催化劑對電催化還原CO₂生成液體燃料的選擇性和法拉第效率，研究人員采取了一系列措施，如調整化學價態、表面修飾和形貌調控等。此外，研究者們幾乎將所有的注意力都集中于晶態銅基催化劑。相比晶態材料而言，非晶態材料通常具有大量低配位原子，因此存在大量缺陷，進而產生更多的催化活性中心以提高電化學性能。

【成果簡介】

近日，吉林大學鄢俊敏教授(通訊作者)等提出了一種簡單而非常有效的方法來合成非晶銅納米顆粒(a-Cu)，該非晶態銅納米顆粒具有優越的電催化還原CO₂制備液體燃料的性能，并在Adv. Mater.上發表了題為“Amorphizing of Cu Nanoparticles toward Highly Efficient and Robust Electrocatalyst for CO₂ Reduction to Liquid Fuels with High Faradaic Efficiencies”的研究論文。上述非晶態銅納米顆粒實現了對合成液體燃料的高催化活性和選擇性，液體燃料總的法拉第效率在-1.4 V時最大，高達59%，其中HCOOH和乙醇C₂H₆O分別為37%和22%。此外，非晶態銅納米顆粒還具有良好的的穩定性，達12 h以上。這項工作為提升基于非晶態金屬催化劑的電催化還原CO₂性能開辟了新的途徑。

?【圖文簡介】

圖1 銅納米顆粒的制備和結構

a) a-Cu和c-Cu的制備示意圖；

b) a-Cu和c-Cu的XRD圖譜；

c) a-Cu和c-Cu的Cu 2p XPS譜圖。

圖2 銅納米顆粒的形貌表征

a,b) a-Cu和c-Cu的TEM圖像，插圖為各自的HRTEM圖像；

c,d) a-Cu和c-Cu的粒徑尺寸分布；

e,f) a-Cu和c-Cu的SAED圖像。

圖3 銅納米顆粒的催化性能

a) 在50 mVs^-1掃速下，a-Cu和c-Cu分別在Ar(虛線)和CO₂飽和(實線)的0.1 M KHCO₃溶液中的LSV曲線；

b,c) a-Cu和c-Cu在給定電勢(-1.4 V)下2 h中液體產物的FE；

d) a-Cu和c-Cu在一系列電勢下產生液體產物的局部電流密度。

圖4 銅納米顆粒的性能表征

a) a-Cu和c-Cu在不同掃速下的電流密度圖，圖中數字代表a-Cu和c-Cu的比容量；

b) a-Cu和c-Cu的CO₂吸附等溫線；

c) a-Cu和c-Cu生成HCOOH的塔菲爾斜率，其中j_HCOOH為生成HCOOH的局部電流密度；

d) a-Cu的穩定性測試。

【小結】

作者將非晶態銅納米顆粒應用于電催化還原CO₂，并顯著提高了制備液體燃料的活性和選擇性。非晶態銅催化劑(a-Cu)較小的尺寸，較大的電化學活性面積以及較強的CO₂吸附能力發揮了重要的作用。銅基催化劑的非晶化可用于促進電催化還原CO₂轉化為高利用價值的液體燃料，具有良好的應用前景。此外，非晶態催化劑的應用還可擴展到如電催化還原O₂/N₂等其他能量轉換/存儲科技領域。

文獻鏈接：" Amorphizing of Cu Nanoparticles toward Highly Efficient and Robust Electrocatalyst for CO₂ Reduction to Liquid Fuels with High Faradaic Efficiencies" (Adv. Mater. , 2018, DOI: 10.1002/adma.201706194)。

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