給你一瓶魔法氣泡水：CO2過飽和實現高效C3產物制備

【導讀】

電催化二氧化碳還原反應（CO₂RR）的發展使碳基燃料、基礎化學品的綠色可持續生產成為可能。盡管近幾年已開發出可將CO₂轉化為CO、HCOOH及C₂H₄等產物，催化活性與產物選擇性兼備的催化材料。但對于高附加值多碳產物（C ≥ 3）尤其是多碳醇的制備，以往研究受限于：轉化效率低（≤ 20%），能量效率差（≤ 10%），穩定性差（≤ 15小時）。

【成果掠影】

基于此，法國國家科學研究中心Kun Qi與Damien Voiry等人通過過飽和CO₂反應策略，成功在高度碳酸化的常溫水相電解液體系中以高轉化效率（56.7%）、高能量效率（22.7%）、優良穩定性（200小時）對固碳反應的罕見C₃產物——異丙醇進行了高效電化學制取。該論文以《Unlocking direct CO₂ electrolysis to C₃ products via electrolyte supersaturation》為題發表在Nature Catalysis上。

【核心創新點】

該研究報導了一種通過調控反應體系CO₂過飽和度實現高效多碳醇制備的策略。

【數據概覽】

圖1 CuAg合金電催化材料原位結構及配位環境表征。? 2023 Springer Nature

圖2 常壓過飽和狀態下電催化CO₂還原性能研究。? 2023 Springer Nature

圖3 常壓過飽和狀態下CO₂ 電催化還原反應生成多碳產物的機理研究。? 2023 Springer Nature

圖4 高壓高過飽和度狀態下電催化CO₂還原性能研究。? 2023 Springer Nature

【成果啟示】

該改工作引入了新型CO₂過飽和策略，用于進行電催化反應將 CO₂ 直接轉化為 C₃ 產物。在催化材料的制備方面，CO₂ 的過飽和條件通過抑制導致 Cu 和 Ag 相分離的電置換反應，使得CuAg進行可控共沉積形成均相合金。在過飽和條件下進行CO₂的電還原也將反應路徑定向為異丙醇的形成。通過使用采用原位拉曼光譜、FTIR和hXAS光譜以及非原位同位素標記實驗和DFT計算，詳細探討了導致C₃產物形成的高選擇性的機制。確定了*CO反應中間體在C₁-C₁偶聯反應中的作用，以及 *OCH₂CH₃ 作為選擇性形成異丙醇的關鍵中間體的效用。實驗數據和理論計算結果進一步強調了 CuAg 合金催化劑對異丙醇形成的重要性，并突出了過飽和策略在 CO-₂RR 過程中增加局部CO₂濃度的優勢。該工作實現了破紀錄的異丙醇56.7%的高選擇性和59.3mA cm^-2的電流密度以及長達200小時穩定性。我們的研究提供了通過控制局部CO₂濃度和關鍵反應中間體的形成速率來選擇性調整反應途徑的思路。該CO₂過飽和反應策略有望在大規模固碳反應。實現高附加值、高能量多碳分子產物的生產以及以化學燃料形式儲存能量方面得到應用。

原文詳情：Qi, K., Zhang, Y., Onofrio, N. et al. Unlocking direct CO₂ electrolysis to C₃ products via electrolyte supersaturation. Nat Catal (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-00938-z

本文由Kun Qi供稿