Angew. Chem. Int. Ed.：異質金屬誘導表面自清潔突破Cu電催化CO2制烴的穩定性瓶頸

【引言】

電催化二氧化碳還原是利用可再生能源提供的電能通過電催化劑實現人工光合作用。相較于光催化還原和傳統的高溫高壓氣相還原，電催化法可以在常溫常壓下實現二氧化碳的高效快速還原，且可以通過控制電位調控產物，有望在太空探索和新能源領域中發揮重要作用。金屬Cu是目前少數幾種能將二氧化碳深度還原為烴類產物的電催化材料，但在催化過程中會快速失活，限制了其應用。

【成果簡介】

耶魯大學翁哲、王海梁以及南方科技大學梁永曄等人研究證實了Cu失活主要是CO₂還原反應過程中產生的碳雜質在Cu電極表面沉積造成，并發展出一種異質金屬誘導表面重構的策略，可以在工作過程下實現Cu電極表面的自清潔，從而大幅提高了Cu催化CO₂制烴的穩定性。近日，研究成果在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上發表，題為“Self-Cleaning Catalyst Electrodes for Stabilized CO₂?Reduction to Hydrocarbons”。

【圖文導讀】

圖1 金屬Cu電極和Pd原子修飾的金屬Cu電極的CO₂電催化還原穩定性對比

結果表明Pd的修飾提高了Cu電極的穩定性，但不影響Cu本身的CO₂還原產物分布。

（A）Cu電極和（B）Pd修飾Cu電極的產物分布（法拉第效率）隨時間變化圖?

（C）總電流密度隨時間變化對比圖

圖2 不同電催化反應時間后金屬Cu電極表面的SEM和XPS分析結果

結果表明金屬Cu電極表面自發進行無規則重構，表面C含量（主要是含C／C鍵物質）隨時間逐漸增加。

（A）新鮮表面，（B）反應15 min，（C）反應1 h和（D）反應4 h后表面的SEM照片

（E）表面C含量隨反應時間的變化曲線

（F）對表面C的進一步成鍵分析

圖3 不同電催化反應時間后Pd修飾金屬Cu電極表面的SEM和XPS分析結果

結果表明Pd原子的修飾能誘導金屬Cu電極表面進行規則重構，形成Cu納米顆粒，同時，表面Pd含量隨反應時間逐漸降低，C含量在反應過程中保持穩定。

（A）新鮮表面，（B）反應15 min，（C）反應1 h，（D）反應4 h和（E）反應16 h后表面的SEM照片?

（F）形成的Cu納米顆粒尺寸分布隨反應時間的變化圖

（G）表面Pd含量隨反應時間的變化曲線

（H）表面C含量隨反應時間的變化曲線

（I）對表面C的進一步成鍵分析

圖4 Pd修飾金屬Cu電極表面的Cu和Pd元素含量隨深度變化曲線

結果證明催化反應前在Cu電極表面的Pd原子在反應后被Cu覆蓋

（A）新鮮表面，表明金屬Cu電極表面已成功修飾Pd

（B）反應4 h后的表面，表明Pd已被Cu覆蓋

圖5 Pd誘導金屬Cu表面重構從而抑制Cu電極失活的示意圖

【總結】

作者采用簡易的電流交換法事先在金屬Cu電極表面修飾Pd原子，由于Cu/Pd具有比Cu/Cu更強的親和作用，在工作狀態下，金屬Cu電極表面以動態平衡存在的Cu離子會以Pd原子作為形核中心重新沉積并不斷長大，催化反應產生的碳雜質被不斷吞噬，Cu電極得以一直保持新鮮的催化表面，從而抑制碳的積累，保證了金屬Cu電極的催化穩定性。作者發現其它金屬原子比如Rh作為表面重構誘導劑，同樣可以提高金屬Cu電極的催化穩定性。表面重構本是催化領域中常見的現象，這一研究成果表明通過多組分的協同作用，可以主動誘導催化劑表面進行有序重構，為今后高性能催化劑的設計提供了新的思路。

文章鏈接：Self-Cleaning Catalyst Electrodes for Stabilized CO2 Reduction to Hydrocarbons（Angew. Chem. Int. Ed.,2017,DOI:10.1002/anie.201707478）

本文由耶魯大學viview投稿，特此感謝！材料人編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：xiaofire-18，吳玫，我們會拉各位老師加入專家群。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷！