具有丰富晶界的铜催化剂在气-液平衡扩散电极上高效电还原CO2制C2H4(英文)

作者：卞磊; 张**; 田昊; 田娜娜; 马智; 王中利^*

来源：Chinese Journal of Catalysis, 2023, 54(11): 199-211.

• 电催化二氧化碳还原
• 乙烯
• C2+产物
• 晶界
• 气-液扩散

电催化二氧化碳还原反应(CO2RR)可以将二氧化碳转化为具有高经济价值的碳氢化合物,被认为是实现碳中和并缓解能源危机的一种有潜力的技术.铜(Cu)作为一种最有应用前景的非贵金属催化剂之一,表现出较高的催化CO2RR转化为多碳产物(C2+)的活性.然而,电催化CO2还原成C2+产物涉及一个动力学过程缓慢的C-C偶联反应,这导致C2+产物的选择性较低,电流密度低,阻碍了其在工业电解槽中的实际应用.同时,CO2RR产物的选择性不仅取决于热力学速率决定步骤,还取决于传质控制动力学.CO2RR发生在固-气-液三相反应界面,气-液的平衡扩散可以有效抑制析氢竞争反应,进而提高CO2RR的反应效率.本文设计合成了一种富晶界的Cu纳米带催化剂,并构建了气-液平衡扩散的电极结构,用于高效电催化二氧化碳还原制备乙烯(C2H4).以一种碱式碳酸铜(Cu2CO3(OH)2)纳米带为前驱体,在原位电化学还原条件下,前驱体中的Cu2+离子获得电子被还原为金属Cu,而释放的CO32-和OH-混合阴离子调节金属Cu的生长.生成的Cu纳米带由细小的纳米颗粒堆积而成,并暴露出大量的由Cu(111),Cu(200)和Cu(220)晶面形成的富晶界结构(GBs).同时,在CO2RR测试中发现催化剂层的厚度是影响CO2和电解质传质的关键因素.通过调整催化层厚度,CO2和电解质可以同时到达催化剂表面,参与到CO2RR中,实现了气-液平衡扩散,有效抑制了氢析出副反应.在晶界效应和气-液平衡扩散的协同作用下,优化后的电极在电流密度为700 mA cm-2时,对C2H4和C2+.产物的法拉第效率分别高达67.2%和82.1%.此外,C2H4的部分电流密度可高达505 mA cm-2,高于大多数文献报道的结果.原位拉曼光谱和衰减全内反射表面增强红外吸收光谱结果表明,丰富的晶;界结构增强了CO2在催化剂表面的活化,显著促进了*CO中间体的形成和吸附,加速了C-C偶联过程形成*OCCO和*OCCOH中间体,提高了C2H4和其他C2+产物的产率.综上,本文设计了一种高活性Cu催化剂和电极结构,为高效电催化CO2还原为C2H4等C2+产物提供参考.

• 单位
  天津大学