彭扬教授团队与合作者NC：电流冲击和电荷离域诱导Cu-MOF重构，在宽电位窗口内二氧化碳电还原产乙烯- 大数跨境

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彭扬教授团队与合作者NC：电流冲击和电荷离域诱导Cu-MOF重构，在宽电位窗口内二氧化碳电还原产乙烯

科学材料站

2021-12-02

导读：本文详细研究了导电载体对导电MOF — Cu3(HITP)2的CO2RR性能的影响

文章信息

电流冲击和电荷离域作用诱导和稳定Cu微晶在宽电位窗口内产乙烯

第一作者：孙浩，陈凌

通讯作者：钟俊，焦研，彭扬

单位：苏州大学，阿德莱德大学

研究背景

催化剂与负载底物之间的相互作用对电催化CO₂还原（CO₂RR）过程起着至关重要的作用。金属有机框架（MOFs）作为一种独特的CO₂RR催化剂有着诸多优势，然而其在催化过程中的稳定性有限，因为它们的电化学重构几乎不可避免。因此，期望通过催化剂与底物相互作用可控调节MOFs的电化学重构，用以引导CO₂RR反应路径和催化稳定性。

文章简介

苏州大学彭扬教授、钟俊教授联合阿德莱德大学焦研教授团队详细研究了导电载体对导电MOF — Cu3(HITP)2的CO₂RR性能的影响，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Promoting ethylene production over a wide potential window on Cu crystallites induced and stabilized via current shock and charge delocalization”的观点文章。

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本文要点

要点一：高乙烯选择性

与单独的Cu₃(HITP)₂相比，科琴黑（KB）的添加提高了乙烯选择性，法拉第效率宽电位窗口下稳定在60-70%之间，且具有更佳的催化稳定性。

图1. (a) KB@Cu₃(HITP)₂ 与 (b) Cu₃(HITP)₂的CO₂RR选择性；(c) KB@Cu₃(HITP)₂ 与 (d) Cu₃(HITP)₂的CO₂RR选择性

要点二：KB诱导的MOF重构

原位XAS、非原位XRD与TEM等一系列测试手段表明，KB的加入使MOF中的Cuδ+节点迅速还原为单质Cu小微晶，并有助于其稳定。在没有导电载体的情况下，金属节点的还原速度减慢，且更容易熟化成大尺寸的纳米颗粒。

这种现象主要归因于导电载体提供更好的电荷传输以有效的还原金属节点，同时使电荷均匀化以减轻Cu团聚。

图2. (a, c and e) KB@Cu₃(HITP)₂的原位XAS；(b, d and f) Cu₃(HITP)₂的原位XAS

要点三：选择性的机理研究

球差TEM结合DFT计算表明，KB的添加导致还原得到的Cu具有高度复杂的晶格结构，包含多种晶面、晶界和晶格缺陷。这种晶面结构有着明显的几何效应同时有利于增强*CO中间体的吸附，此外还抑制了HER竞争反应，从而促进了C-C偶联，提高了乙烯选择性。而未添加KB的MOF还原得到的Cu颗粒，由于奥氏熟化，显示相对单一的晶格结构特征，更有趋向于得到甲烷和氢气。

图3. (a) KB@Cu₃(HITP)₂和 (b) Cu₃(HITP)₂催化反应后的球差TEM图片；（c, d and e）DFT计算

要点四：拓展应用

该研究通过改善电极上的电荷传输来调节和稳定Cu的结晶态，从而为CO₂RR催化途径的调控提供了新的见解，这可以扩展到其他金属有机配合物材料中。

文章链接

Promoting ethylene production over a wide potential window on Cu crystallites induced and stabilized via current shock and charge delocalization, Nat. Commun., 2021, 12, 6823

https://doi.org/10.1038/s41467-021-27169-9