最新AFM:電沉積合成CuMgAl層狀雙氫氧化物作為電化學CO2還原的新型催化劑

一、【導讀】

? ?近年來，由于傳統化石燃料大量燃燒，導致在過去的200年里二氧化碳平均水平已從280 ppm上升到420 ppm，而且還在不斷增長。電催化CO₂還原（CO₂ER）因其溫和的操作條件、易于定制的反應結果以及擴大規模的巨大潛力而??特別具有吸引力。其中CO₂ER生產的乙酸在許多化學領域具有廣泛的適用性，因此從工業角度來看，乙酸的生產特別受關注。目前，納米結構的Cu基電催化劑（含有Cu⁰和Cu₂O）負載在碳質載體上，可以驅動反應在液相構型中產生乙酸，同時具有低過電位和高選擇性。碳質載體雖然有助于增強質量傳遞，但這些系統的生產率仍然受到室溫下氣態CO₂在水環境中溶解度低的影響。而金屬層狀雙氫氧化物（LDH）因其堿性和對碳酸鹽的高親和力，可能在CO₂ER應用中具有很大的潛力。因此，合理設計一種簡單、有效的方法將LDH負載到導電載體上用來CO₂ER生產乙酸是一項有趣的研究。

二、【成果掠影】

? ?近日，意大利博洛尼亞大學Domenica Tonelli和Francesco Basile等人在碳質氣體擴散膜上成功合成出一種新型的納米結構CuMgAl層狀雙氫氧化物（LDH）基材料。該催化劑對CO₂ER成CH₃COOH具有很高的選擇性催化活性。相關的研究成果以“Electrosynthesized CuMgAl Layered Double Hydroxides as New Catalysts for the Electrochemical Reduction of CO₂”為題發表在Advanced Functional Materials上。

三、【核心創新點】

1、作者成功并證明了通過簡單、一步、高重復性的電沉積過程，可以在碳質氣體擴散膜上獲得一種新型CuMgAl LDH和Cu⁰/Cu₂O之間密切接觸的復合材料。

2、優化后的催化劑為CuMgAl 2:1:1 LDH/CP，在較低的施加電位（- 0.4 V vs RHE）下，在乙酸中的產率為2.0 mmol g_cat^?1 h^?1。這一前所未有的結果證明了將層狀雙氫氧化物結構與高度分散的銅物種相結合的復合材料的有益效果，它允許在CO₂ER過程中以低電位和接近100%的選擇性從而獲得C2產物。并且與納米結構Cu⁰/Cu₂O薄膜相比生產率更高。

四、【數據概覽】

圖1 a) 工作電極上發生的過程；b) 含銅 LDH 薄膜在碳氣體擴散電極上的沉積電位變化；c) X 射線衍射圖和 d) CuMgAl 2:1:1 LDH/CP 電沉積薄膜的SEM圖像。? 2023 Wiley

圖2 a–c) 纖維上分層沉積物的SEM-FEG圖像；具有花椰菜狀d)和珊瑚狀 e、f)形狀的離散顆粒的SEM-FEG 圖像。? 2023 Wiley

圖3 a) 不同陽離子摩爾比的電合成CuMgAl LDHs的XRD圖譜;?b)從EDS中分析估計總M(II)/M(III)比率；c)對于兩種不同的LDH組合物，在-0.4 V vs RHE的CO₂ER產物分布。? 2023 Wiley

圖4 a) 電沉積過程中記錄的電流密度；b) 對于不同負載量的催化劑，在-0.4 V vs RHE時CO₂ER產物分布。? 2023 Wiley

圖5 a)不同陽離子比的CuMgAl LDHs的XRD圖譜；b) 通過EDS分析對電合成薄膜估計陽離子比率。? 2023 Wiley

圖6在-0.4 V vs RHE下產生CH₃COOH a)和產生氫氣 b)。? 2023 Wiley

圖7使用CuMgAl 2:1:1 LDH/CP 在不同施加電位下CO₂ER液體a)和氣體b)產物分布。? 2023 Wiley

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，作者通過簡單、低耗時、高可重復性的電化學沉積方法直接在碳質氣體擴散膜上成功開發了一種新型CuMgAl LDHs和Cu⁰/Cu₂O之間存在密切接觸的復合材料。這種新型電催化劑在電化學CO₂還原方面取得了優異的催化性能。這項研究中的LDHs 憑借其高度的設計靈活性、許多堿性位點的存在以及對碳酸根陰離子的高親和力等優點，可能將在電化學CO₂還原領域中成為具有最佳生產率的高附加值商品的新興材料。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/adfm.202300345

本文由K . L撰稿。