吉大鄢俊敏Adv. Mater. : 高活高效非晶態銅納米顆粒及其電催化還原CO2制液體燃料

【引言】

銅基材料能夠通過電還原CO₂直接產生碳氫化合物和醇，這一現象自20世紀80年代早期以來已吸引了眾多研究人員關注。然而，在大多數銅催化劑生成HCOOH和/或C₂H₆O的過程中，其在水溶液中的選擇性(常伴隨CO、CH₄以及C₂H₄等氣體產物生成)和法拉第效率(FEs)(0-34%)(嚴重的產氫競爭反應)仍然難以滿足需求。因此，為提高銅基催化劑的選擇性和法拉第效率，研究人員采取了不同的策略，如調整化學態、表面修飾和形貌調控等。值得注意的是，所有的注意力基本都集中于晶態銅催化劑。相比晶態材料，非晶態材料通常具有大量低配位原子，因此存在豐富的缺陷，進而產生更多的催化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)等首次提出了一種簡單而非常有效的方案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化學還原CO₂制液體燃料性能，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時最大可達到59%，甲酸(HCOOH)和乙醇(C₂H₆O)分別達到37%和22%，穩定12 h以上。更重要的是，這項工作為提升基于非晶態金屬催化劑的電還原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，內插為各自的HRTEM圖像；

c,d) a-Cu和c-Cu的尺寸分布；

e,f) a-Cu和c-Cu的SAED圖譜。

圖3 銅納米顆粒的催化性能

a) 50 mV·s^-1掃速下，銅納米顆粒在Ar飽和(虛線)或CO₂飽和(實線)的0.1 M KHCO₃溶液單一還原LSV曲線；

b,c) 給定電勢下2 h液體產物的FE；

d) 液體產物產生的局部電流密度。

圖4 非晶態銅納米顆粒的長期穩定性

a) 兩種電極在不同掃速下的電流密度圖，圖中顯示了a-Cu和c-Cu的比容量；

b) 兩種電極的CO₂吸附等溫線；

c) a-Cu和c-Cu的HCOOH產生的塔菲爾斜率，其中j_HCOOH為HCOOH的局部電流密度；

d) a-Cu的穩定性測試。

【小結】

作者首次利用非晶態銅納米顆粒顯著提高了電催化還原CO₂轉化為液體燃料的活性和選擇性。非晶態銅催化劑(a-Cu)的較小的尺度以及較大的電化學活性面對于增強室溫下吸附CO₂性能起到了至關重要的作用。銅催化劑的非晶化可用于電還原CO₂轉化為其他高附加值液體燃料，其應用前景良好。此外，非晶態催化劑的應用可擴展到其他能量轉換/存儲科技領域，如電還原O₂/N₂等反應。

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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