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王训/刘清达JACS: 熵驱动合成CuPd亚纳米合金用于电还原CO₂制乙酸

邃瞳科学云

2024-10-23

导读：本研究证明了含有丰富Cu-Pd对的亚1 nm CuPd合金具有显著增强的CO2电还原成乙酸的活性和选择性。在−0.7 V vs RHE下，乙酸的FE为46.5±2.1%，乙酸的产率为99±2.8 μm

第一作者：聂思洋

通讯作者：王训，刘清达

通讯单位：清华大学化学系

论文DOI：doi.org/10.1021/jacs.4c07711

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双金属合金在催化和储能领域表现出优异性能，但由于热力学上的不相溶性，在亚纳米尺度上实现精确合成仍然是一项巨大挑战。近日，清华大学王训教授团队在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Entropy-Derived Synthesis of the CuPd Sub-1nm Alloy for CO₂-to-acetate Electroreduction”的研究论文，团队成员博士后聂思洋博士为论文第一作者，王训教授、刘清达博士为论文共同通讯作者。

背景介绍

乙烯酮（*CH₂−C=O）作为中间体在Cu基催化剂上CO₂RR生成乙酸过程中起着至关重要的作用。为了进一步提高乙酸的电产率，设计具有高密度活性位点的催化剂是合理的，这些催化剂对*CO和乙烯酮中间体具有最佳的吸附强度。理论上，相对于Cu， Pd对碳基物质具有更强的结合亲和力，可以显著增加*CO的表面覆盖率，加强与乙烯酮的相互作用，从而促进乙酸的形成。然而，由于Cu和Pd原子固有的化学属性导致形成CuPd合金较为困难，传统的合成方法容易导致相分离或者元素脱出，而将CuPd合金控制在亚纳米尺寸更是一个挑战。

本文亮点

在这项工作中，作者提出了亚纳米CuPd合金作为一种高效的电催化剂，用于将CO₂还原为乙酸。基于亚纳米厚度的CuO-PMA载体，形成CuPd亚纳米合金是一个典型的表面熵驱动过程。由于CuO-PMA亚纳米片表面原子的强烈振动，Pd单原子可以捕获Cu原子形成小的纳米片，随着时间的推移，这些小纳米片逐渐生长成尺寸约为1.5 nm的CuPd纳米颗粒。该亚纳米合金具有固有的表面熵丰富的特性，这也有利于C1中间体在亚纳米合金的相邻Cu和Pd位点上的偶联。与9 nm CuPd纳米颗粒相比，1 nm CuPd纳米颗粒能够更高效地吸附和偶联C1中间体，从而具有更高的乙酸选择性。CuPd亚纳米合金的乙酸法拉第效率（FE_acetate）为46.5±2.1%，在−0.7 V (vs可逆氢电极（RHE）下，乙酸的产率为99 μmol cm⁻²)。此外，CuPd亚纳米合金在−0.7 V下连续还原CO₂时表现出优异的稳定性，保持FE_acetate几乎恒定的水平为~ 42%。

图文解析

图1 亚纳米CuPd合金形成机理和表征

图2 亚纳米CuPd合金结构表征

图3 亚纳米CuPd合金电催化CO₂还原性能测试和结果

图4 亚纳米CuPd合金电催化CO₂还原机理

总结与展望

综上所述，作者证明了含有丰富Cu-Pd对的亚1 nm CuPd合金具有显著增强的CO₂电还原成乙酸的活性和选择性。在−0.7 V vs RHE下，乙酸的FE为46.5±2.1%，乙酸的产率为99±2.8 μmol cm⁻²。这一进展在将碳排放转化为与商业相关的增值化学品方面具有巨大的潜力。

文献信息

此文章为聂思洋, 吴量, 刘清达,* 王训*在JACS发表的一篇文章。影响因子：16左右。原文链接为https://doi.org/10.1021/jacs.4c07711

课题组介绍

王训，清华大学教授。1994-2001年就读于西北大学，获本科、硕士学位；2004年获清华大学博士学位。2004-2007年任清华大学化学系助理研究员、副教授，2007年起任清华大学教授。国家杰出青年科学基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授。兼任《Science China Materials》副主编、《Nano Research》副主编、《化学学报》编委、《中国科学：化学》编委，Editorial board member of Advanced Materials, Editorial board member of Nano Research, Scientific Editor of Materials Horizon, Associate Editor of Science China Materials, Associate Editor of Science Bulletin，中国化学会副秘书长。曾获2023年度国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、首届科学探索奖（2019）、Hall of Fame （Advanced Materials, 2018）、国际溶剂热水热联合会ISHA Roy-Somiya Award （2018）、Fellow of the Royal SocietyofChemistry（2015）、首届高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）青年科学奖（2015）、第八届“中国化学会－巴斯夫青年知识创新奖”、2009年第十一届中国青年科技奖、2009年“中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖”、2005 IUPAC Prize for Young Chemists等奖励和荣誉。共发表SCI论文200余篇，SCI总引用20000余次。

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