天津大學鞏金龍教授Small:Au-CeOx納米片的大量Ce3+離子提高CO2電還原性能

kv1004 4年前 (2019-04-15) 4865瀏覽

【引言】

燃燒化石燃料使空氣中有大量CO₂，導致全球變暖。CO₂電還原能減輕燃燒化石燃料的影響。然而，活化CO₂需要過高的過電位，目標產物的選擇性低。金對CO的選擇性高，用于CO₂電還原的過電位低。但是，金的成本高昂。負載金納米顆粒是減少使用金的有效策略。盡管負載金納米顆粒促進CO的生成，但CO法拉第效率和起始電壓依然受限。最近，CeO₂?通過促進CO₂活化對提高CO₂轉化效率產生積極的影響。負載金納米顆粒在 CeO_x納米顆粒上形成的體系的CO₂電還原性能可以通過從Ce³⁺入手來提高。可是，Ce³⁺濃度和CO₂電還原性能的關系還未被研究。

【成果簡介】

近日，天津大學的鞏金龍教授（通訊作者）等人在Small上報道了含有大量Ce³⁺離子的 Au-CeO_x納米片增加CO法拉第效率。他們還原CeO₂納米片?，獲得更高濃度的Ce³⁺，證實CeO_x納米片的Ce³⁺用于CO₂電還原的機理。當電壓為-0.5V時，含有47.3% Ce³⁺的Au-CeO_x納米片在0.1 M KHCO₃溶液中的CO法拉第效率為90.1%。而且，Au-CeO_x納米片的CO₂電還原活性和Ce³⁺濃度呈正線性相關。機理研究表明CO₂電還原性能的提高歸因于Au-CeO_x的Ce³⁺和羥基，它們促進CO₂活化，有助于生成COOH 。

【圖文導讀】

圖1.a)含有不同濃度的Ce³⁺的Au-CeO_x納米片的合成過程；b)?CeO₂納米片的TEM圖；c) AuCe-47.3的TEM圖和金納米顆粒尺寸分布；d)AuCe-47.3的HRTEM圖

圖2.a)Au-CeO_x的XPS圖；b)、c)、d)、 e) 分別為 AuCe-33.2、AuCe-35.5、 AuCe-43.1、AuCe-47.3的XPS圖的擬合曲線

圖3.a)線性掃描伏安法測試的結果；b)Ce³⁺濃度不同的Au-CeO_x在不同電位下的CO法拉第效率；c)CO的生成的比活性；d)電位為-0.5V時Ce³⁺濃度不同造成的CO法拉第效率的差異

圖4.a)、b)分別為不同電位下AuCe-47.3、AuCe-33.2 的ATR-SEIRAS譜圖； c)?Au-CeO_x的塔菲爾斜率；d)AuCe-47.3參與CO₂電還原的反應路線

圖5.a)AuCe-2的結構；b) AuCe-0、AuCe-1和AuCe-2的自由能

【小結】

Au-CeO_x納米片被NaBH₄ 預處理后，產生大量Ce³⁺離子。CO₂電還原活性隨著Ce³⁺濃度的增加而提高。CO法拉第效率和Ce³⁺濃度緊密相關。?Ce³⁺濃度為47.3%的Au-CeO_x的CO法拉第效率為90.1%，電催化活性維持8小時。ATR-SEIRAS 和DFT結果證實Ce³⁺濃度高的Au-CeO_x促進CO₂電還原中CO₂的吸附和COOH的生成，增強CO₂電還原活性。這項工作通過調節金屬氧化物的性質為設計CO₂電還原催化劑提供了新的路徑。