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JACS：串联催化剂促进CO₂到C₂H₄的转化效率！

邃瞳科学云

2024-01-06

导读：本研究提出了一种解决无形催化剂这一核心概念的方法，其中开发了一种由分散在Cu基体上的镍单原子催化剂(Ni SAC)组成的CO2电催化剂。选择Ni SAC是基于其高效、宽的CO生成电位窗口以及长的稳定性

串联催化剂在解决铜(Cu)基材料上CO₂电还原过程中选择性生成C₂H₄的低*CO覆盖率的限制方面具有很大的前景。然而，CO形成催化剂和有利的C-C偶联Cu催化剂之间的潜在失配成为这些类型的电催化剂的瓶颈，导致串联效率低。

中南大学肖睿洋、刘敏、王其忧和慕尼黑大学Emiliano Cortés通过引入负载在Cu催化剂上的宽CO生成电位窗口镍单原子催化剂(Ni-SAC)，提出了一个强有力的解决方案。Ni SAC的选择是基于理论计算，并通过原位红外光谱进一步证实了其优异的性能。在串联催化剂中，促进的碳二聚化导致~370 mA/cm²的C₂H₄部分电流密度，对应于~62%的法拉第效率。在流动池反应器中，在500 mA/cm²的高电流密度下，该性能保持稳定和一致至少~14小时，优于迄今为止报道的大多数串联催化剂。相关工作以“Potential Alignment in Tandem Catalysts Enhances CO₂‑to‑C₂H₄ Conversion Efficiencies”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

要点1. 作者提出了一种解决无形催化剂这一核心概念的方法，其中开发了一种由分散在Cu基体上的镍单原子催化剂(Ni SAC)组成的CO₂电催化剂。选择Ni SAC是基于其高效、宽的CO生成电位窗口以及长的稳定性。

要点2. 与理论预测一致，原位衰减全反射红外吸收光谱(ATR-IR)证实，当与Ni SAC偶联时，Cu表面上的CO覆盖范围更大，从而促进*CO二聚化。

要点3. 在流动池反应器中，Ni SAC+Cu串联催化剂在500 mA/cm²电流密度下表现出约370 mA/cm²的C₂H₄分电流密度，法拉效率为约62%，稳定性为约14 h，这表明其工业化应用前景广阔。原位X射线吸收近边缘结构(XANES)表明，在这一时期，Ni原子保持孤立，有助于实现这一前所未有的性能。

图1.（a）Cu(111)表面上不同的*CO覆盖率和（b）不同的*H覆盖率下，通过*CO偶联步骤形成*OCCO的相对活化势垒(ΔE_raction)。*CO和*H覆盖率分别表示Cu(111)表面上额外的*CO和*H的数量，原始标记仅指两个吸附的*CO分子。在*CO二聚反应的最佳电位下，不同串联催化剂的CO₂RR过程的示意图，（c）Ag NPs，（d）Ni Pc和（e）Ni SAC分别负载在Cu(111)表面上。底部面板中的颜色表示橙色：Cu；浅灰色：Ag；灰色：C；红色：O；蓝色：N；白色：H，绿色：Ni。

图2. Ni SAC+Cu-R催化剂的（a）SEM和（b）TEM。（c）Ni SAC的AC HAADF-STEM。（d）Cu-R的HRTEM。（e）EDS图像。（f）Cu-R的Cu 2p光谱的高分辨率XPS。（g）Ni SAC和Ni Pc的N 1s光谱的高分辨率XPS。（h）Ni SAC和Ni Pc的Ni K-edge XANES.（i）EXAFS的k₃加权傅立叶变换光谱。

图3. 原位ATR-IR光谱。

图4.（a）Cu-R和Ni-SAC之间的电位匹配。（b）流动池反应器中催化剂不同电位下C₂H₄的部分电流密度。（c）串联催化剂的FE_C2H4。（d）在不同电位下测量的Ni SAC的原位XANES。（e）Ni SAC的原位k³加权傅立叶变换EXAFS。（f）Ni SAC+Cu-R在-500 mA/cm²电流密度下的稳定性。

Min Liu,* Qiyou Wang,* Tao Luo, Matias Herran, Xueying Cao, Wanru Liao, Li Zhu, Hongmei Li, Andrei Stefancu, Ying-Rui Lu, Ting-Shan Chan, Evangelina Pensa, Chao Ma, Shiguo Zhang, Ruiyang Xiao,* Emiliano Cortés*. Potential Alignment in Tandem Catalysts Enhances CO₂‑to‑C₂H₄ Conversion Efficiencies. J. Am. Chem. Soc.