Small Methods: 氧化铜纳米枝晶表面氧空位的调节用于电催化二氧化碳还原制乙烯

以CO2为代表的温室气体的大量排放长期以来一直被认为是全球变暖的主要原因。电化学二氧化碳还原在缓解能源危机和温室效应等全球性问题中具有很大的潜力。一方面,将温室气体二氧化碳转化为具有高附加值的物质,可以用作燃料或化工原料;另一方面,利用清洁能源产生的电能来驱动这一常温常压过程不会产生额外的碳排放,同时不需要氢气作为反应原料。然而电化学二氧化碳还原同时也面临着众多挑战,因为不论从热力学或者动力学角度来说,CO2是非常稳定的。铜基材料是目前已知的唯一能够得到C2+还原产物的金属催化剂,但是铜基材料的CO2还原反应机理较为复杂,且反应产物种类较多、反应速率较慢。其中最主要的是如何提高反应效率和产物选择性,这需要合理设计的催化剂来实现高效且高选择性的二氧化碳还原反应。

基于上述提到的电化学CO2还原所面临的问题和铜基催化剂的选择性调控等问题。近日,复旦大学先进材料实验室郑耿锋教授课题组在Small Methods杂志上报道了一种含有氧空位的铜基电催化剂,在电化学二氧化碳还原中表现出了很高的活性,与此同时,该研究发现氧空位的多少对于CO2电化学还原得到乙烯有直接的作用,并且对于电流的大小也起到了直接的影响。

在含有大量氧空位的CuOx-Vo催化剂能够得到更多的乙烯,并且在-1.4V(Vs RHE)电位下,乙烯的法拉第效率可以达到63%。此外,在电化学还原CuO到Cu的过程中,即在还原的过程有氧空位的时候。电流曲线呈一个上升趋势,而在得到Cu单质后电流呈一个下降趋势,即氧空位消失。这是因为氧空位会提供大量的电子给CO2,从而使电流变大。在氧空位最多的时候,就会得到最多的乙烯产物。在空位消失得到Cu单质以后,对其进行重新烧结得到CuO催化剂,如此五次循环依然有不俗的CO2还原能力。

综上所述,该课题设计并和合成出一种能够将温室气体二氧化碳高效转化为乙烯的的CuOx-Vo电催化剂,并发现表面氧空位的得到乙烯的重要因素。为铜基材料的设计和进一步提高CO2电还原活性和选择性提供了值得借鉴的思路。相关论文近期发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800449)上。

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