尽管许多催化剂已经被报道用于电化学转换二氧化碳(CO_(2))到甲烷(CH_(4))或者二碳(C_(2))产物,然而目前对各种产物之间的关联的研究仍然不够深入,这阻碍着催化剂设计的进一步发展.本文通过研究商品化铜粉(Cu)作为CO_(2)电还原的阴极催...尽管许多催化剂已经被报道用于电化学转换二氧化碳(CO_(2))到甲烷(CH_(4))或者二碳(C_(2))产物,然而目前对各种产物之间的关联的研究仍然不够深入,这阻碍着催化剂设计的进一步发展.本文通过研究商品化铜粉(Cu)作为CO_(2)电还原的阴极催化剂,发现一氧化碳中间体(*CO)在催化剂表面的覆盖度在较大的电位区间内会保持基本不变,且在这个电位区间内,CH_(4)与C_(2)产物的分电流密度呈线性关系,这一结论得到了理论动力学分析的支持.由于*CHO中间体分子是产生CH_(4)(*CHO→CH_(4))与C_(2)产物(*CHO+*CO→C_(2))的共同中间体,我们进一步猜想该线性关系是普遍存在的,且可以通过调节催化剂表面的吸附氢(*H)或者一氧化碳(*CO)的覆盖度,以分别促进CH_(4)或者C_(2)产物的生成,并改变线性关系的斜率.为了验证该猜想,本文合成了碳包覆的铜(Cu@C)催化剂,其中碳层可增加催化剂表面的*H覆盖度从而提高CH_(4)的产生,最高的CH_(4)法拉第效率(FE_(CH_(4)))达到52%,相应的分电流密度为±337 m A cm±2.另一方面,合成了银掺杂的铜催化剂,其中掺杂的银用以产生CO,以进一步提高催化剂表面的*CO覆盖度.该催化剂二氧化碳电还原的选择性变成了C_(2)产物为主,最高C_(2)产物的法拉第效率(FE_(CH_(4)))达到79%,相应的分电流密度为±421 m A cm±2.不仅如此,在这两种催化剂上,CH_(4)与C_(2)产物的分电流密度仍然保持良好的线性关系.本文工作揭示了CH_(4)与C_(2)产物产率的线性关系,以及反应中间分子的调控策略,为电催化二氧化碳还原为不同的产物提供了参考.展开更多
基金supported by the National Key Research and Development Program of China(2018YFA0209401 and 2017YFA0206901)the National Natural Science Foundation of China(22025502 and 21975051)+1 种基金the Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(21DZ1206800,19XD1420400)the Shanghai Municipal Education Commission(2019-01-07-00-07-E00045)。
文摘尽管许多催化剂已经被报道用于电化学转换二氧化碳(CO_(2))到甲烷(CH_(4))或者二碳(C_(2))产物,然而目前对各种产物之间的关联的研究仍然不够深入,这阻碍着催化剂设计的进一步发展.本文通过研究商品化铜粉(Cu)作为CO_(2)电还原的阴极催化剂,发现一氧化碳中间体(*CO)在催化剂表面的覆盖度在较大的电位区间内会保持基本不变,且在这个电位区间内,CH_(4)与C_(2)产物的分电流密度呈线性关系,这一结论得到了理论动力学分析的支持.由于*CHO中间体分子是产生CH_(4)(*CHO→CH_(4))与C_(2)产物(*CHO+*CO→C_(2))的共同中间体,我们进一步猜想该线性关系是普遍存在的,且可以通过调节催化剂表面的吸附氢(*H)或者一氧化碳(*CO)的覆盖度,以分别促进CH_(4)或者C_(2)产物的生成,并改变线性关系的斜率.为了验证该猜想,本文合成了碳包覆的铜(Cu@C)催化剂,其中碳层可增加催化剂表面的*H覆盖度从而提高CH_(4)的产生,最高的CH_(4)法拉第效率(FE_(CH_(4)))达到52%,相应的分电流密度为±337 m A cm±2.另一方面,合成了银掺杂的铜催化剂,其中掺杂的银用以产生CO,以进一步提高催化剂表面的*CO覆盖度.该催化剂二氧化碳电还原的选择性变成了C_(2)产物为主,最高C_(2)产物的法拉第效率(FE_(CH_(4)))达到79%,相应的分电流密度为±421 m A cm±2.不仅如此,在这两种催化剂上,CH_(4)与C_(2)产物的分电流密度仍然保持良好的线性关系.本文工作揭示了CH_(4)与C_(2)产物产率的线性关系,以及反应中间分子的调控策略,为电催化二氧化碳还原为不同的产物提供了参考.
