Applied Catalysis B: Environmental：构建高活性二氧化碳电化学反应的中空纤维管气体扩散电极- 大数跨境

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Applied Catalysis B: Environmental：构建高活性二氧化碳电化学反应的中空纤维管气体扩散电极

科学材料站

2021-03-10

导读：该工作将Bi基纳米片催化剂在流通铜中空纤维气体扩散电极（HFGDE）上均匀生长，以受益于HFGDEs的独特形状和纳米片材的有效表面积。

文章信息

通过电化学形貌调控在中空纤维管气体扩散电极表面沉积二维纳米铋实现高效二氧化碳还原成甲酸盐

第一作者：Hesamoddin Rabiee, 澳大利亚昆士兰大学

通讯作者 1：葛磊, 澳大利亚南昆士兰大学，澳大利亚昆士兰大学

通讯作者 2：胡氏虎, 澳大利亚昆士兰大学

研究背景

二氧化碳通常被称为温室气体，会给环境造成问题并极大地导致气候变化，但是实际上，二氧化碳是一种重要而丰富的碳原料，可用于生产从碳氢化合物到含氧化合物的各种燃料和化学物质。气相二氧化碳电化学还原反应（CO2RR）使温室气体CO2转化为增值产品，同时减少了碳排放并减少了化石燃料（石油和煤炭）作为生产燃料/化学产品的原料的使用。如果反应使用风能和太阳能作为能源来源，则这种CO2RR技术也可以存储间歇性可再生能源。

CO2RR的关键挑战是反应动力学慢和选择性差。这导致许多研究人员专注于开发电催化剂以改善内在活性。与此同时还存在另外两个重要的工程问题：液态电解质中二氧化碳的低溶解度/扩散性以及气态（CO2）-液态（电解质）-固态（电极）三相界面不足，这限制了催化剂的性能和技术的应用。

文章简介

近日，来自澳大利亚昆士兰大学和澳大利亚南昆士兰大学的合作研究团队在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Shape-tuned Electrodeposition of Bismuth-based Nanosheets on Flow-through Hollow Fiber Gas Diffusion Electrode for High-efficiency CO2 Reduction to Formate”的研究文章。

该工作将Bi基纳米片催化剂在流通铜中空纤维气体扩散电极（HFGDE）上均匀生长，以受益于HFGDEs的独特形状和纳米片材的有效表面积。

先进的气体扩散电极（GDE）可以实现高效率的二氧化碳传质和三相界面反应。同时调控催化剂的纳米结构和催化剂表面的润湿性对于改进三相界面具有决定性作用。

这项工作代表了一种可行的策略，可将高效的HFGDE作为先进的电极材料进行工程设计，可以推广到类似的使用低水溶性气相反应物的电化学反应。

图1. a）在铜中空纤维气体扩散电极的外侧进行Bi电沉积以转化CO2形成甲酸的示意图；b）在Bi电极电位之前（左）和之后（右侧）的铜中空纤维气体扩散电极的照片；对比c）连续和d）脉冲电沉积得到相应的微米块状和纳米片的Bi HFGDE上的Bi沉积插图。

脉冲电沉积可将Bi3 +离子补充到HFGDE附近的扩散层，从而导致垂直排列的纳米片均匀生长，从而完全覆盖铜 HFGDE （图1）。与通过连续电沉积获得的大体积Bi催化层相比，被Bi纳米片覆盖的HFGDE提供了更高的催化活性位点和更少的催化剂负载，从而导致了实质上更高的活性。通过在220℃下氧化进一步改善了催化剂层的表面可湿性，这引入了氧化引起的缺陷位点，因此通过将限速步骤切换为氢化步骤而有助于更有效地生产甲酸盐。

图2. a）法拉第效率和b）各种HFGDE的甲酸的部分电流密度与-RHE在-0.7至-1.2 V的电势的关系；c）-1 V下相对于RHE的质量归一化甲酸分电流密度和各种Bi基HFGDE的催化剂负载量；d）Bi基HFGDE的甲酸盐的Tafel图；e）在流式反应器中，CuBi2O3-PE HFGDE在-1.0 V相对于RHE的条件下进行24 h稳定性测试时的FE和甲酸分电流密度；f）本文Bi-基HFGDE与其他Bi基非GDE电极和GDEs在碳酸氢盐电解质中生成甲酸的CO2RR性能比较。

根据图2信息，在-1 V下的电流密度为141 mA cm-2，甲酸盐的FE为85％，优于用于CO2RR形成碳酸氢盐电解质的传统平面Bi基扩散电极。CO2RR后的分析证实了纳米片结构中同时存在金属和金属氧化物，从而验证了诱导氧化物的稳定性，这与长时间稳定性测试结果一致。

同时本文还对反应器设计做了考察，与传统的平面气体扩散电极不同，中空纤维气体扩散电极设计降低了单元模块的复杂性，因为通过纤维内腔供应了CO2，而无需具有气体分布室。另外，通过使用多个中空纤维气体扩散电极或制造直径较小的中空纤维气体扩散电极，可以使电极表面积和阴极的表面积与体积之比最大化。

文章链接

Shape-tuned Electrodeposition of Bismuth-based Nanosheets on Flow-through Hollow Fiber Gas Diffusion Electrode for High-efficiency CO2 Reduction to Formate

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337321000710

通讯作者介绍

葛磊博士。

2013年博士毕业于澳大利亚昆士兰大学化工系，随后在昆士兰大学从事博士后研究工作。2017年加入澳大利亚南昆士兰大学担任未来材料中心（Centre for Future Materials）纳米材料工程方向高级研究员。长期从事面向气体过程处理的膜材料和催化材料的研究和开发。以第一或通讯作者身份在Nature Communications., Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Small Methods，Chem. Eng. J. 等学术刊物上发表论文100余篇，被引用5,000 余次，H因子38。

胡氏虎博士。

2010年获澳大利亚昆士兰大学化学工程博士学位，之后继续在昆士兰大学水管理高等研究中心从事科学研究。现在是昆士兰大学Amplify Fellow和高级研究员。至今已发表论文50余篇，包括Nature（第一作者），Science（第三作者）和多篇The ISME J，Environmental Science & Technology, Water Research论文（通讯作者），H因子23。目前主要研究方向是微生物介导的碳氮及金属循环，以及相关的资源回收利用生物技术，合作单位包括澳大利亚所有大型水务公司，获得的总研究经费超过1200万澳元。

第一作者介绍

Hesamoddin Rabiee.

2017年在澳大利亚阿德莱德大学获得硕士学位，2018年加入澳大利亚昆士兰大学水管理高等研究中心（AWMC）袁志国教授团队攻读博士学位。已发表20余篇科研论文，H因子12. 由袁志国院士领衔的一个澳大利亚联邦研究理事会工程院桂冠教授项目，旨在开发新技术将生物气（biogas）转化为液体化学品。作为该项目的一部分，H. Rabiee的研究方向是开发新材料和催化剂实现高效二氧化碳转化。