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中国科学院福建物质结构研究所曹敏纳、曹荣、司端惠:银-铜氧化物界面催化中性CO2电还原乙烯合成

中国科学院福建物质结构研究所曹敏纳、曹荣、司端惠:银-铜氧化物界面催化中性CO2电还原乙烯合成 中科精研材料制备技术研究院
2024-12-26
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导语



在实现碳中和目标的全球努力中,将二氧化碳(CO2)转化为有价值的化学品成为了一个重要的研究方向。中国科学院福建物质结构研究所的曹敏纳、曹荣、司端惠团队在《科学进展》期刊上发表的研究,通过构建银-铜氧化物(Ag-Cu2O)界面催化剂,实现了在中性条件下高效电催化CO2还原生成乙烯(C2H4),这一成果不仅提高了CO2的转化效率,也为工业应用提供了新的可能性。


研究亮点
  • 创新催化剂设计:该团队选择了Cu2O纳米粒子作为铜组分,并以银(Ag)作为第二金属,优化了Ag-Cu2O界面催化剂,显著提升了C2H4的选择性和产率。

  • 性能突破:在650 mA cm−2的电流密度下,Ag-Cu2O催化剂展现出73.6%的C2+法拉第效率(FE),并在429.1 mA cm−2的局部电流密度下获得了66.0%的FEC2H4,超越了所有报道的Cu基电催化剂。

  • 机理深入:原位拉曼光谱和理论计算揭示了Ag/Cu2O界面如何促进CO生成和C-C耦合,增强了对CO2电还原过程的理解。

实验结果与方法
  • 催化剂表征:通过XRD、XPS、XANES和EXAFS等技术对Ag-Cu2O界面催化剂进行了详细表征,确认了Cu的氧化态为+1,与XPS结果一致。
  • 电催化性能测试:在中性电解质中,最佳的Ag/Cu2O催化剂显著提高了C2H4的FE,Ag/Cu2O催化剂的FEC2+含量高达73.5%,C2+/C1高达10.4。
  • 原位拉曼光谱:观察到Ag/Cu2O界面促进了C2H4的生成,增加了活性位周围的CO覆盖率,并调节了Cu的电子态。
  • 理论计算:DFT计算证实了Ag/Cu2O界面处CO生成和C-C耦合的增强,为催化剂设计提供了理论支持。
    图文解读
    • 图1:展示了Ag-Cu2O-X的制备过程和HRTEM图像,以及Ag-Cu2O-0.10的HAADF-STEM图像和元素分布。
    • 图2:XRD、XPS和XANES等表征结果,揭示了Ag-Cu2O界面催化剂的组成和表面状态。
    • 图3:LSV曲线和FE数据,展示了Ag-Cu2O催化剂在CO2RR反应中的优异性能。
    • 图4:原位拉曼光谱结果,证实了Ag/Cu2O界面结构对CO覆盖率和质子供体覆盖率的影响。
    • 图5:DFT计算结果,揭示了CO在Ag和Cu位上的吸附能,以及C2H4反应途径关键步骤的自由能。


    总结与展望

曹敏纳、曹荣、司端惠团队的这项研究不仅实现了在高电流密度下中性电催化CO2转化为单一产物的重大突破,还为界面催化剂和其他中性电催化剂的设计提供了重要启示。这项工作为高效率、低成本的CO2转化技术的发展提供了新的方向。

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