通讯作者：宫勇吉 通讯单位：北京航空航天大学 电化学将二氧化碳还原为多碳燃料和化学原料是减少过多的二氧化碳排放一种很有吸引力的方法。然而，所报道的催化剂往往表现为C2+产物的法拉第效率低或长期稳定性差。 因此，北京航空航天大学宫勇吉教授课题组报道了一种简便、可扩展的阳极腐蚀方法来合成富氧超薄CuO纳米片阵列，该阵列在电催化过程中通过自进化形成Cu/Cu2O的非均相界面。其C2H4法拉第效率高达84.5%，在中性KCl电解液的流动池中稳定电解55 h，在膜电极组合电解槽中200 mA cm-2时的全电池乙烯能量效率为27.6%。
图1. CuO-NPs的制备与表征。 相关研究工作以“Electrochemical CO2 reduction to ethylene by ultrathin CuO nanoplate arrays”为题发表在国际著名期刊Nature Communications上。
图2. DVL-Cu的制备及表征。 要点1. 作者通过在碱性溶液中恒电流阳极氧化合成的CuO超薄纳米片阵列(CuO-NPS)的原位电化学还原得到了高密度垂直片状Cu纳米结构(DVL-Cu)催化剂。该阵列在电催化过程中通过自进化形成Cu/Cu2O的非均相界面。 要点2. 在H型电解池中，DVL-Cu在−0.8 V vs 可逆氢电极(RHE)电化学CO2RR的C2H4法拉第效率(FE)为73.6%和总的C2+(主要是乙烯和乙醇)FE为80%以上。在一个流动池中，以中性氯化钾(KCl)作为阴极电解质，C2H4 FE为84.5%。乙烯能量效率(EEC 2H4)为28.9%，可长期稳定电解~55 h。 要点3. 实验和模拟结果表明，纳米结构的DVL-Cu在CO2RR过程中产生了Cu/Cu2O的非均相界面，并有效分散了电极电流密度，避免了团聚现象的发生。同时，KCl电解质由于其高的局部pH微环境阻碍了Cu+物种的溶解/再沉积，并在较高的过电位下抑制了析氢，有利于DVL-Cu催化剂的高选择性和稳定性。 要点4. 密度泛函理论(DFT)计算表明，在DVL-Cu中，Cu/Cu2O界面降低了C2H4生成途径中的C-C二聚能，有利于C2H4的生成。合成方法简便，电解条件温和(中性电解液)，电解稳定性长，使该材料成为未来商用CO2RR催化剂的候选材料。
图3.DVL-Cu催化剂的STEM和EELS表征。
图4.DVL-Cu和R-CuO-NPs的电化学CO2RR性能。
图5. DVL-Cu@GDL在流槽和MEA电解槽中的制备及CO2RR性能。
图6. DFT计算结果。 链接： https:///10.1038/s41467-022-29428-9 |
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