揭示和调控二氧化碳电还原中甲烷与二碳产物的线性关系（英文）

作者：刘坤豪; 杨超; 韦瑞麟; 马星宇; 彭陈; 刘铮铮; 陈杨屾; 严雅琴; 阚淼; 阳耀月; 郑耿锋^*

来源：Science Bulletin, 2022, 67(10): 1042-1048.

尽管许多催化剂已经被报道用于电化学转换二氧化碳(CO2)到甲烷(CH4)或者二碳(C2)产物,然而目前对各种产物之间的关联的研究仍然不够深入,这阻碍着催化剂设计的进一步发展.本文通过研究商品化铜粉(Cu)作为CO2电还原的阴极催化剂,发现一氧化碳中间体(*CO)在催化剂表面的覆盖度在较大的电位区间内会保持基本不变,且在这个电位区间内, CH4与C2产物的分电流密度呈线性关系,这一结论得到了理论动力学分析的支持.由于*CHO中间体分子是产生CH4(*CHO→CH4)与C2产物(*CHO+*CO→C2)的共同中间体,我们进一步猜想该线性关系是普遍存在的,且可以通过调节催化剂表面的吸附氢(*H)或者一氧化碳(*CO)的覆盖度,以分别促进CH4或者C2产物的生成,并改变线性关系的斜率.为了验证该猜想,本文合成了碳包覆的铜(Cu@C)催化剂,其中碳层可增加催化剂表面的*H覆盖度从而提高CH4的产生,最高的CH4法拉第效率(FECH4)达到52%,相应的分电流密度为±337 m A cm±2.另一方面,合成了银掺杂的铜催化剂,其中掺杂的银用以产生CO,以进一步提高催化剂表面的*CO覆盖度.该催化剂二氧化碳电还原的选择性变成了C2产物为主,最高C2产物的法拉第效率(FEC2)达到79%,相应的分电流密度为±421 m A cm±2.不仅如此,在这两种催化剂上, CH4与C2产物的分电流密度仍然保持良好的线性关系.本文工作揭示了CH4与C2产物产率的线性关系,以及反应中间分子的调控策略,为电催化二氧化碳还原为不同的产物提供了参考.

• 单位
  复旦大学