我院罗稳副教授及其合作者在《Advanced Energy Materials》和《Cell Reports Physical Science》上发表研究论文

发布时间:  2022/06/22  乔雨   浏览次数:   返回

近日,我院罗稳副教授与其合作者在国际高水平期刊《Advanced Energy Materials》和《Cell Reports Physical Science》上分别发表题为“Enhanced electrocatalytic CO2 reduction to C2+ products by adjusting the local reaction environment with polymer binders”(封面论文,图1)和“Tandem effect of Ag@C@Cu catalysts enhances ethanol selectivity for electrochemical CO2 reduction in flow reactors”的研究论文。

图1《Advanced Energy Materials》论文封面

电催化还原CO2(CO2RR)可以将温室气体CO2转化为乙烯、乙醇等高附加值化学品。该技术既能够实现CO2的资源化利用,还能够将可再生电能存储为化学能,是实现碳达峰碳中和的重要路径。但是将CO2电催化转化为多碳产物(C2+,如乙醇、乙烯等)涉及多电子还原反应过程,存在转化路径复杂、选择性难以调控等科学问题。目前的研究大多通过开发、改性催化剂来提高CO2RR的性能。但是对催化反应而言,影响其活性和选择性的因素不仅有催化剂,还有反应物比例、传质和反应微环境等其他因素。由于析氢是CO2电还原的副反应,因此通过调控微反应环境来改变反应物(CO2H2O)和中间体的浓度可以成为提高CO2RR性能的重要手段。

粘结剂是催化剂中不可缺少的组分,其分子结构决定了憎水和亲水性,而电极的憎水性是决定其表面微环境(CO2浓度和H2O供应)的重要因素。Nafion是目前最常用的粘结剂(其分子结构中既有憎水的氟化碳链,又有亲水的磺酸基),但是却很少有研究关注Nafion是否为最佳的粘结剂,以及粘结剂如何影响CO2RR性能。鉴于此,作者选用了三种具有不同憎水性的聚合物(PAA、Nafion和FEP)作为粘结剂,用CuO纳米线作为催化剂,揭示了粘结剂憎水性对电极表面微反应环境的影响,建立了憎水性与C2+产率的关系;发现憎水性聚合物(如FEP)可以提高反应物CO2和反应中间体CO的局部浓度,因此提高催化性能;最终在流动电解池中实现了C2+产物77%的法拉第效率和600 mA cm-2偏电流密度(图2)。

图2 Cu-PAA,Cu-Nafion和Cu-FEP三种催化剂在H-型池(a)和流动池(c)中不同电位下的C2+产物法拉第效率。在H-型池(b)和流动池(d)中C2+产物和H2的法拉第效率和总电流密度随电极憎水性的变化。

到目前为止,Cu是唯一具有可观的C2+选择性的金属催化剂。研究表明,向Cu基催化剂中引入其他金属(如Ag),可以进一步提高乙醇和乙烯选择性,但其催化机理仍存在争议。一种观点认为,这主要是Ag和Cu的界面在起主要作用;而另一种观点则认为,Ag和Cu可以实现串联作用,即Ag将CO2还原为CO,而Cu则进一步将CO还原为C2+产物。因此,揭示Ag-Cu催化剂在CO2RR中的作用机制对于开发高效双金属催化剂具有至关重要的作用。鉴于此,作者合成了一种具有串联结构的Ag-Cu双金属催化剂,即Ag@C@Cu核壳纳米颗粒,其中碳层的存在既阻止了Cu和Ag的直接接触,又保证了催化剂的导电性和串联作用。利用此催化剂,作者揭示Ag和Cu之间的串联作用更倾向于将CO2电还原为乙醇而非乙烯;并且通过调控Cu壳层的厚度,实现了对乙醇选择性的优化,获得了32%的乙醇法拉第效率(图3)。

图3 Ag@C@Cu电催化还原CO2至乙醇的反应机理。

上述工作由上海大学和瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)合作完成,罗稳副教授为论文唯一通讯作者,上海大学为通讯单位。

论文一链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202103663

论文二链接:https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/abstract/S2666-3864(22)00230-2





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