产物可调的Pd-Cu双金属二氧化碳电还原催化剂

温室效应日益严重,作为主要的温室气体来源,二氧化碳的转化利用备受瞩目。电催化还原二氧化碳是抑制二氧化碳排放和生产高附加值产品的重要途径。在众多催化剂中,金属催化剂因为具备空轨道和活跃d电子,从而具备对二氧化碳合适的吸附和脱附能力,因此,金属催化剂在二氧化碳电还原中被研究者们广泛探究。虽然金属催化剂催化二氧化碳还原已经取得了很大进展,其反应过电位高和副反应多的特性限制了放大生产和工业化的脚步,其中,氢气析出反应是最主要的副反应,严重限制了产物选择性单一化。对于金属催化剂,合金化是提高反应活性和选择性的有效方法,因为合金化可以很好地调节催化剂对中间产物的吸附能力,从而引导二氧化碳还原反应动力学增强,得到理想产物。

天津大学化工学院巩金龙课题组通过一步法合成具备特定形貌的Pd-Cu双金属催化剂,在二氧化碳电还原反应中实现了产物的选择性调控。其中,内凹十二面体Cu3Pd催化剂与铜片相比,甲烷产生的起始电位降低了200 mV,在相对于标准氢电极(RHE) -1.2 V下达到了高于铜片7倍的甲烷部分电流。枝状Pd3Cu催化剂与商业化Pd/C 催化剂相比,在-0.7 V到-1.3 V. vs RHE均表现出优良的一氧化碳选择性,在-1.3 V下一氧化碳的部分电流达到商业化Pd/C催化剂的四倍。塔弗尔斜率和密度泛函理论计算联合探究机理,表明Cu3Pd催化剂甲烷选择性提高源于高指数晶面和合金化的协同效应,而Pd3Cu催化剂一氧化碳选择性提高只与合金化效应相关,枝状形貌只起到增大总电流的作用。

该合金化与高指数晶面协同作用的Pd-Cu双金属催化剂进一步推动了二氧化碳电还原的性能提高进程,也为其他金属材料和化学反应催化剂的设计提供了可行的思路。本工作以通讯论文形式发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201703314)上,第一作者为天津大学化工学院硕士生朱文锦和张雷博士。

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