济南大学周伟家教授团队ACB新作：激光制备Cu6Sn5孔道合金气体扩散电极用于电催化CO2还原- 大数跨境

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济南大学周伟家教授团队ACB新作：激光制备Cu6Sn5孔道合金气体扩散电极用于电催化CO2还原

科学材料站

2021-12-13

导读：该论文利用激光在金属Sn片上制备了Cu6Sn5合金，该合金可以高效转化CO2为甲酸

文章信息

激光制备Cu₆Sn₅孔道合金气体扩散电极用于电催化CO₂还原

第一作者：王艺洁

通讯作者：李晓*，周伟家*

单位：济南大学

研究背景

过量CO₂的排放引起了不可忽视的环境问题和经济损失。电催化CO₂还原被认为是有效处理并利用CO₂的途径之一，高活性催化剂的制备仍然是该方向的研究重点。作为一种常见且绿色经济的电催化CO₂还原催化剂，Sn基材料的活性、选择性和稳定性仍需进一步提高。合金化作为一种可以极大提升催化剂性能的策略受到了广泛的研究，因此，开发一种新的制备方法用于制备具有高选择性的合金催化电极具有重要意义。

气体扩散电极由于能够有效的提升催化反应的电流密度，近年来也得到了广泛的研究和应用。然而，常见的气体扩散电极需要将催化剂配成墨水滴加在疏水碳纸上，这有可能造成催化性能和稳定性的衰减，因此，探索一种能够原位负载催化剂、且具有气体扩散能力的一体化电极同样具有重要的意义。

文章简介

基于此，来自济南大学的周伟家教授课题组在国际知名期刊Applied catalysis B： Environmental上发表题为“Laser-fabricated Channeled Cu6Sn5/Sn as Electrocatalyst and Gas Diffusion Electrode for Efficient CO₂ Electroreduction to Formate”的研究论文。

该论文利用激光在金属Sn片上制备了Cu₆Sn₅合金，该合金可以高效转化CO₂为甲酸。根据理论计算，发现形成的合金可以有效的稳定*OCHO中间体,同时可以抑制析氢反应，从而促进了电催化CO₂还原。

进一步利用激光在合金电极上制备孔道用作气体扩散电极，并将其应用在流动电解池中，电化学性能表明该电极能够获得较高的甲酸法拉第效率以及催化稳定性。这项工作为未来制备合金CO₂还原催化剂和一体化气体扩散电极提供了实验借鉴和理论支持。

图1. 激光制备合金电极的示意图，气体扩散电极的微观图以及模拟计算孔道对CO₂还原的影响

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本文要点

要点一：激光制备Cu₆Sn₅合金及其表征

用355 nm的紫外激光器处理叠放在一起的金属Cu片和Sn片5min，即可在Sn上制备Cu₆Sn₅合金（Cu₆Sn₅/Sn）。各种尺寸的“CO₂”图案的制备，说明了激光可控性高的优势。通过SEM和TEM证明，该合金的结构为表面呈绒毛状的纳米颗粒，XRD和HRTEM表征证明除了合金和Sn基底外，没有其余物相的存在。

图2. Cu₆Sn₅/Sn的制备过程及各种尺寸的“CO₂”图案展示

图3. Cu₆Sn₅/Sn的结构及物相表征

要点二：Cu₆Sn₅/Sn在H-cell中的电催化CO₂还原活性

在0.5 M NaHCO₃电解液中测试面积为0.7*0.7 cm²的Cu₆Sn₅/Sn，在-0.95 V vs. RHE处达到了最高的甲酸选择性（FE=87.2%），且在该电压下能够保持14 h的稳定性。与激光处理的纯金属相比，该高选择性和稳定性得益于合金的存在。

图4. Cu₆Sn₅/Sn在H-cell的电化学性能

要点三：Cu₆Sn₅/Sn的DFT计算

XPS的位置偏移和Bader charge证实，形成合金后，电荷由Sn转移到了Cu，这促进了还原反应的进行。自由能的计算结果表明，Sn为合金上的主要活性位点，该位点对*OCHO中间体的结合能极低，同时，能够对HER进行的有效抑制，这两点共同促进了还原反应的发生。

图5. Cu₆Sn₅/Sn的XPS和DFT计算结果

要点四：Cu₆Sn₅/Sn在flow-cell中的电催化CO₂还原活性

进一步的，利用激光对合金电极进行了孔道加工，直接用作气体扩散电极。采用flow-cell测试，该合金电极具有更大的电流密度（100 mA cm^-2）和更长的稳定性（24 h），该测试结果证明了一体化气体扩散电极的成功制备和应用。

图6. Cu₆Sn₅/Sn在flow-cell的电化学性能

要点五：利用模拟与实验共同探究孔道附近的微观环境

根据X-ray CT的结果建立了模拟模型，利用COMSOL Multiphysics模拟孔道电极附近的CO₂浓度和电场分布情况，结果表明，孔道周围具有较高的CO₂浓度和电场，这有利于CO₂电还原反应的发生。除此之外，用KPFM测定了孔道周围的实际电场分布情况，结果与模拟计算的结果相符合。

图7. 孔道Cu₆Sn₅/Sn的模型及电极表面的CO₂浓度模拟结果

图8. 孔道Cu6Sn5/Sn电极表面的电场分布模拟及KPFM结果

文章链接

“Laser-fabricated Channeled Cu6Sn5/Sn as Electrocatalyst and Gas Diffusion Electrode for Efficient CO₂ Electroreduction to Formate”

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337321011164

通讯作者简介

李晓博士

济南大学前沿交叉科学研究院讲师，硕士生导师。主要从事新能源转换材料的设计，包括光（电）催化水分解与CO2资源化转化。以第一作者或通讯作者在Advanced Energy Materials、Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental、Nano-Micro Letters、Journal of Physical Chemistry Letters、Journal of Colloid and Interface Science、Chinese Chemical Letters等期刊上发表多篇论文。并主持国家自然科学基金青年基金1项。

周伟家教授

济南大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，学术带头人。主要从事电催化和微纳器件研究，在电催化剂催化位点调控和全解水系统优化方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等期刊发表SCI收录论文90余篇，被他引9126次，H因子56，中国百篇最具影响力国际学术论文1篇，ESI高被引用论文12篇；授权发明专利10余项；主持国家优秀青年基金（2020），山东省杰出青年基金（2021），山东省泰山学者青年专家计划（2019）和广东省杰出青年基金（2017）等国家省部级项目12项。2019年获得山东省自然科学一等奖（第三位）。

第一作者介绍

王艺洁，2021级博士研究生，就读于济南大学新能源材料与传感器件课题组，主要研究方向为电催化CO2还原。

课题组介绍

依托于济南大学前沿交叉科学研究院和“生物诊疗技术与装备协同创新中心”，组建“新能源材料与传感器件”研发团队，由教授2人、副教授2人，讲师4人，博士后1人，博士生6人，硕士生23人组成。团队利用微纳加工、激光合成和电化学三大技术，在能源与传感两大方向开展应用基础研究。能源方向专注于氢能源、碳循环和氮循环，利用激光等物理信号调制的催化反应和器件系统在新能源和环境领域的相关研究；传感方向专注于电化学和荧光结合微流控技术，通过材料设计与芯片构建，进行细菌和生物分子等快速高通量检测研究。。

课题组招聘

济南大学前沿交叉科学研究院和“新能源材料与传感器件”研发团队长期招聘生物传感芯片和新能源设备系统研发相关的研究人才（教授、副教授、讲师、师资博士和普通博后），应聘条件参考济南大学招聘信息，如相关研究方向偏应用研究，可放宽应聘条件，与企业合作招聘。