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    现工院钟苗课题组:增加催化剂表面中间体覆盖度实现强酸下高效电还原CO2制纯甲酸

    发布时间:2024-04-15 点击次数: 作者:现代工学院 来源:科学技术处

    电还原二氧化碳(CO2R)可以将可再生电能存储在化学能中,通过二氧化碳生产高值化学品。酸性CO2R电解被认为是提高CO2利用率的有效方法,但酸性条件下的析氢反应和催化剂腐蚀问题限制了这一技术的发展。南京大学现代工程与应用科学学院钟苗课题组在前期电还原二氧化碳稳定性研究(Nat. Commun. 2021)和分层电极结构构建(Angew. Chem. Int. Ed. 2023)的基础上,开发了具有强甲酸中间体*OCHO吸附和弱氢气中间体*H吸附的Cu6Sn5催化剂,在安培级电流密度(1.2 A cm2)和强酸性条件(pH 1)下实现了91%的甲酸法拉第效率,单次碳转化效率达到77.4%,稳定性300小时以上。原位电化学傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)显示,在pH 1时,Cu6Sn5与Sn相比,*OCHO覆盖度提高了约2.8倍。将Cu6Sn5应用在含固态电解质的无阳离子膜电极中,实现了连续稳定的130小时纯甲酸溶液(0.36 M)制备,法拉第效率88%,能量效率达到37%。

    1 Cu6Sn5催化剂的制备与表征

    如图1中的SEM所示,300–600 nm Cu6Sn5导电晶粒密集堆积在气体扩散电极PTFE表面,Cu6Sn5催化剂表面水接触角为128°,表现出良好疏水性,保证气液固三相界面进行反应。XRD和STEM-EDX确定了Cu6Sn5晶体颗粒以及Cu和Sn元素在Cu6Sn5中的均匀分布。

    在强酸电解液条件(pH 1)下,不同比例的Cu−Sn样品进行了电化学性能测试,确定Cu6Sn5具有最优的甲酸选择性和能量效率。使用DFT理论计算和ATR-FTIR表征相结合的手段对中间体覆盖度进行了研究,DFT计算结果表明Cu6Sn5 (−113)晶面对甲酸中间体*OCHO具有强吸附能,且弱*H吸附能,促进CO2R反应,抑制HER,证实了*OCHO覆盖度明显增强是Cu6Sn5催化剂实现酸性CO2电解高活性、高选择性的主要原因之一。Cu6Sn5在pH 1电解液中的单次碳转化效率(SPCE)最高可以达到77.4%,为当前研究的最高值之一。

    2 Cu6Sn5催化剂在强酸(pH 1)环境下的电化学性能测试

    将Cu6Sn5催化剂应用在含固态电解质的膜电极中用于制备纯甲酸溶液,电流密度在100 mA cm−2时甲酸选择性达到96%,全池能量效率超过37%。稳定性可以达到130小时,能以20 mL h−1速率生产2.6升0.36 M纯甲酸溶液。

    3 Cu6Sn5催化剂在含固态电解质的膜电极中制备纯甲酸溶液

    其他研究性能对比,Cu6Sn5催化剂实现了集高甲酸选择性、高单次碳效率、高电流密度和长稳定性的性能指标。利用固态电解质膜电极实现了纯甲酸溶液的连续长时间制备。该成果以“Coverage Enhancement Accelerates Acidic CO2 Electrolysis at Ampere-level Current with High Energy and Carbon Efficiencies”为题在线发表在Nature Communications上(Nat. Commun. 2024, 15,1711)。现代工程与应用科学学院钟苗、美国马萨诸塞大学洛厄尔分校车芳琳为论文共同通讯作者。现代工程与应用科学学院2021级硕士生余笑寒、美国马萨诸塞大学洛厄尔分校博士生徐玉婷、2020级博士生李乐为论文的共同第一作者,以上研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目及江苏省双创计划等项目的支持。

    文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-45988-4