应用催化B：多孔氧化亚铜纳米花催化剂层结构对二氧化碳还原的影响- 大数跨境

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应用催化B：多孔氧化亚铜纳米花催化剂层结构对二氧化碳还原的影响

科学材料站

2021-12-30

导读：本篇文章对催化剂层进行了深入分析，通过对催化剂形貌的研究从而实现了对其孔隙率大小的精确控制，形成了一种‘脚手架’式的疏水多孔催化剂层。

文章信息

第一作者：王玉成，雷晗晖

通讯作者：刘晓腾*，邢磊*

单位：Northumbria University, South Dakota State University, University of Oxford.

基金号：UK Engineering Physics and Science Research Council (Grant No. EP/S032886/1), Royal Society International Exchanges Award (Grant No. IEC\NSFC\201008)

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.121022

研究背景

随着巴黎峰会以及COP26峰会的召开，净零碳排放成为国际能源中的一个重要议题。因此，二氧化碳（CO₂）的回收与利用成为解决碳排放问题的重要环节。其中，电解CO₂成为产品附加值较高的再生燃料是一种较为可行的科学方法。

然而，催化剂的低活性，低产物选择性；反应器的物质传输问题和使用寿命问题的存在使得这一方法在目前难以实现工业化的规模。本篇文章对催化剂层进行了深入分析，通过对催化剂形貌的研究从而实现了对其孔隙率大小的精确控制，形成了一种‘脚手架’式的疏水多孔催化剂层。

这种结构增强了CO₂在反应器中的物质传输，增加了催化剂层的比表面活性面积，并且提升了工作电极的疏水性，使得气体扩散电极式反应器的使用寿命显著提升。本文为未来的CO₂电还原催化剂层的设计与研究提供了方向，有助于CO₂电还原领域的研究及实际应用。

本文要点

* 本文第一次对电解CO₂的催化剂层的结构进行了深入的理论研究以及实验验证；

* 通过控制催化剂形貌，精准控制催化剂层的孔隙率大小和气-液、固-液界面的比表面积；

* 基于COMSOL的多物理场模型仿真对实验结果的模拟与验证；

* 该CO₂电还原系统实现了超过93%的CO法拉第效率。

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图文解析

该团队首先使用了一种改良的二醇法合成了石墨烯载氧化亚铜催化剂，通过改变其合成温度，从而控制了该催化剂形貌由‘纳米种子’（CG1）到‘纳米花’ （CG5）的‘绽放’过程。该过程增加了催化剂的比表面积以及对应增加了催化剂的反应活性点，从而有利于CO₂电还原反应。

同时，铜纳米颗粒与2维片状石墨烯相组合，形成了一种‘脚手架’式的可控多孔催化剂层，对CO₂ 的传质起到了提升作用。扫描电子显微镜（SEM）揭示了铜纳米颗粒的形貌变化过程，并且通过EDS mapping对催化剂的组成元素进行了分析，发现Cu和O元素均匀分布在铜纳米颗粒表面。在进一步对催化剂涂覆的电极截面的研究发现，催化剂形貌的改变影响了工作电极的孔隙率以及催化剂层的厚度，进而促进反应器的CO₂ 物质传递以及电极的疏水性能。

为了研究催化剂层对CO₂ 电还原的影响，该团队通过COMSOL对电极层进行了模拟分析。计算结果表明，随着催化剂层孔隙率的增加，气-液界面面积线性增加，从而促进CO₂ 在气液中的传递（图3a）。通过对CO₂ 摩尔质量的研究发现，孔隙率增加有利于CO₂的电还原反应，从而在CG5 催化剂中出口浓度更低 (图3b）。在对CO₂ 流速的研究中发现，CG5 具有最快的传输速率（图3c）。

最后该团队通过电化学测试以及对产物CO的分析表明，具有更高孔隙率，更厚催化剂层的CG5 具有最高法拉第效率，达到93.20% （1.0 V vs. RHE）, 而同一反应条件下纯氧化亚铜的法拉第效率仅为64.85%。对应的CO电流密度也由氧化亚铜的43.84 mA cm^-2 提升至88.54 mA cm^-2。多孔催化剂对反应系统的寿命起到了提升的作用，实验表明，在多孔催化剂层的保护下，反应8小时后的CG5 仍保持88.69%的高转化效率，而对应的氧化亚铜则下降至26.91%。

此研究通过理论结合实验的方式建立了一种高效率的CO₂电还原反应系统，为设计，分析和改善催化剂层结构对整体提升CO₂ 电还原系统的提供了一种设计和研究理念，以在CO₂电还原及其他领域实现更广泛的应用。