2023年9月30日和10月2日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)/深圳大學(xué)駱靜利院士團(tuán)隊分別在Energy & Environmental Science（簡稱Energy Environ. Sci.或EES）和ACS Catalysis（簡稱ACS Catal.）上連續(xù)發(fā)表了最新成果，即“A Coupled Electrocatalytic System with Reduced Energy Input for CO2 Reduction and Biomass Valorization”和“Fluorine-Stabilized BO6 Octahedron of Host Perovskites for Robust Carbon Dioxide Electrolysis on Exsolved Catalysts”。下面，對這兩篇最新成果進(jìn)行簡要的介紹，以供大家學(xué)習(xí)和了解！
Energy Environ. Sci.：耦合電催化系統(tǒng)助力CO2還原和生物質(zhì)高價值轉(zhuǎn)化
陰極電化學(xué)CO2還原（eCO2RR）與陽極電化學(xué)5-羥甲基糠醛氧化反應(yīng)（HMFOR）耦合是一種協(xié)同生產(chǎn)高附加值化學(xué)品的方法，同時降低了能量輸入，但主要挑戰(zhàn)是開發(fā)有效的eCO2RR和HMFOR電催化劑?；诖?，駱靜利院士等人報道了一個由陰極eCO2RR和陽極HMFOR并行的經(jīng)濟(jì)生成甲酸鹽和生物質(zhì)增值的耦合系統(tǒng)，利用單原子Cu摻雜Bi（Cu1Bi）和NiCo層雙氫氧化物（NiCo LDH）分別作為陰極和陽極催化劑。
由于加速了水解離，Cu1Bi陰極催化劑表現(xiàn)出與工業(yè)相關(guān)的甲酸鹽生產(chǎn)速率（在-0.9 V下jformate > 1 A cm-2），同時在電流密度為200 mA cm-2下保持93%的法拉第效率（FEformate）運行45 h，優(yōu)于大多數(shù)已報道的甲酸鹽制備催化劑。此外，NiCo LDH陽極催化劑對HMF轉(zhuǎn)化為2, 5-呋喃二羧酸表現(xiàn)出高活性，在低電位下的法拉第效率（FE）超過95%。
成對的eCO2RR-HMFOR系統(tǒng)將eCO2RR轉(zhuǎn)化為甲酸鹽的電力輸入減少到每噸甲酸鹽約3493 kWh，比傳統(tǒng)的eCO2RR（每噸甲酸鹽約4528 kWh）節(jié)能22.9%。本研究為低能耗的CO2還原和生物質(zhì)穩(wěn)定化提供了一條有吸引力的途徑。
圖4. NiCo LDH和NiCo LDH/NF的表征與催化性能
圖5. eCO2RR-HMFOR系統(tǒng)的示意圖和性能
在文中，作者展示了一種耦合eCO2RR-HMFOR電催化系統(tǒng)，用于較低能耗的甲酸鹽生產(chǎn)和生物質(zhì)衍生的羥甲基糠醛穩(wěn)定化。作者開發(fā)了一種SAA電催化劑Cu1Bi，用于高活性陰極eCO2RR生成甲酸鹽，在流動池中jformate > 1 A cm-2和FEformate > 85%。
由于Cu單原子加速了水的解離過程，促進(jìn)了質(zhì)子化步驟，從而有利于甲酸鹽的生成。耦合電催化系統(tǒng)能夠在陽極獲得有價值的FDCA產(chǎn)物，在陰極獲得甲酸鹽，比傳統(tǒng)的eCO2RR-OER系統(tǒng)電耗降低22.9%。本工作不僅為設(shè)計高效的eCO2RR合成甲酸電催化劑提供了有效的策略，而且為有利可圖和可持續(xù)的生物質(zhì)增值提供了一條有前途的途徑。
A Coupled Electrocatalytic System with Reduced Energy Input for CO2 Reduction and Biomass Valorization.Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE01999C.
ACS Catal.：氟摻雜策略助力穩(wěn)定的CO2電解！
在固體氧化物電解電池中，納米粒子的溶出已成為提高鈣鈦礦對CO2電解催化活性的一種流行技術(shù)。然而，考慮到溶出對整體性能的提高，宿主鈣鈦礦的相演化對催化性能的潛在負(fù)面影響往往被忽視。
基于此，駱靜利院士和Hongbo Zeng等人報道了一種簡單的氟摻雜策略，以抑制Sr2Fe1.2Ni0.3Mo0.5O6-δ（SFN3M）在溶出過程中的相變。實驗表征結(jié)合密度泛函理論（DFT）計算表明，在SFN3M晶格中加入氟有利于保持B-位點陽離子的高氧化態(tài)，抑制晶格中的氧損失，從而在宿主鈣鈦礦中形成堅固的BO6八面體。
此外，作者還發(fā)現(xiàn)保存完好的雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)與CO2的相互作用更強(qiáng)，從而增強(qiáng)了F摻雜的溶出SFN3M（F-SFN3M-red）的催化活性。宿主鈣鈦礦穩(wěn)定的BO6八面體顯著增強(qiáng)了F-SFN3M-red在高壓（≥1.4 V）CO2電解下的分解阻力，從而在較寬的電壓范圍內(nèi)顯著提高了CO產(chǎn)率。這些發(fā)現(xiàn)突出表明，F(xiàn)摻雜策略具有很大的潛力，有助于開發(fā)具有高催化活性和穩(wěn)定性的溶出鈣鈦礦，用于更廣泛的電催化應(yīng)用。
圖2. F-SFN3M-red增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的理解
圖3. SFN3M-red和F-SFN3M-red的表征
圖5. CO2與宿主鈣鈦礦的相互作用增強(qiáng)
圖6. F-SFN3M-red在寬電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定CO生產(chǎn)率
總之，作者證明了簡單的F摻雜策略可以防止相變并增強(qiáng)F-SFN3M-red對CO2電解的穩(wěn)定性。F-SFN3M-red表面保存完好的DP結(jié)構(gòu)與CO2的相互作用更強(qiáng)，從而提高了催化活性。宿主鈣鈦礦對分解的較高電阻是F-SFN3M-red-GDC穩(wěn)定輸出的原因，因此在廣泛的電壓范圍內(nèi)，特別是在1.4 V以上，具有出色的CO生產(chǎn)率。
此外，SFN3M-red-GDC由于其在1.4 V以上的快速衰減，顯示出微弱的CO輸出性能。實驗表征和DFT計算表明，占據(jù)O位點的F陰離子能夠保持B位點可還原陽離子的高氧化態(tài)，并阻礙晶格氧的損失。這些發(fā)現(xiàn)為高催化活性和穩(wěn)定性的鈣鈦礦基催化劑工程提供了一種簡單而有效的F摻雜策略，對實現(xiàn)P-eNs在固體氧化物電池中大規(guī)模儲能和轉(zhuǎn)化的商業(yè)應(yīng)用具有重要意義。
Fluorine-Stabilized BO6 Octahedron of Host Perovskites for Robust Carbon Dioxide Electrolysis on Exsolved Catalysts. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c01897.
原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/13/0b678206c3/
