電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)是一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品的有效方法,它能夠?qū)崿F(xiàn)人工碳閉環(huán)。CO2能夠轉(zhuǎn)化為多碳(C2+)燃料和化學(xué)品,特別是乙醇(在許多領(lǐng)域有廣泛的需求),然而,在C-C耦合過程中,它的多質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移步驟緩慢。Cu基催化劑能有效促進CO2RR中C-C與C2+產(chǎn)物的偶聯(lián),但Cu催化劑的主要C2+產(chǎn)物是乙烯。
基于此,中科院大連化物所汪國雄和大連交通大學(xué)王琪等通過一鍋熱解銅基金屬有機框架HKUST-1(Cu3(BTC)2,Cu-BTC),成功制備被碳層包裹的CuOx@C催化劑。
高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像顯示,CuOx@C上涂有均勻的碳涂層(~2nm)。Operando拉曼光譜和X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果表明,在CO2RR過程中,臨界碳層可以穩(wěn)定Cu+物種,促進了C-C耦合。Operando拉曼光譜表征還表明,穩(wěn)定的Cu+物種有利于在低電流密度下CO的形成,并在高電流密度下促進C-C耦合。
電化學(xué)測試結(jié)果顯示,在CuOx@C上的乙醇法拉第效率達(dá)到46%,高于不含碳涂層的CuOx(~31%);乙醇在CuOx@C上的部分電流密度達(dá)到166 mA cm-2,高于大多數(shù)已報道的催化劑。密度泛函理論(DFT)計算表明,豐富的Cu+物種通過改善*CO的吸附促進了C-C耦合,并且表面碳層可以有效地調(diào)節(jié)關(guān)鍵的中間產(chǎn)物*HOCCH的自由能,通過氫化途徑促進乙醇生產(chǎn)。
Selective CO2 Electroreduction to Ethanol over Carbon-Coated CuOx Catalyst. Angewandte Chemie International Edition, 2022. DOI: 10.1002/anie.202209629
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