利用可再生电力将CO2电催化还原为有价值的化学品,为CO2的回收和利用提供了一条可持续的途径。在过去的几十年中,通过电催化CO2还原反应(CO2RR)生成单碳产物(特别是CO和CH3COOH)的研究取得了巨大的进展。然而,由于C1产物的价值低,从CO2RR中生产多碳产品比C1产品更具吸引力。
目前,Cu已被证明是唯一能有效催化CO2成为多碳产物的金属,然而纯Cu表面上缓慢的C-C偶联动力学严重阻碍了多碳产品的大规模生产。因此,目前迫切需要开发有效的策略来对Cu进行修饰改性以改善Cu基催化剂生产的多碳产品的性能。
基于此,滑铁卢大学吴一民、谭忠超和卡尔加里大学Samira Siahrostami等开发了一种AgCu单原子和纳米粒子级联催化剂(AgCu SANP ),其中AgCu单原子合金(SAA)作为C-C偶联位点,而Ag纳米颗粒(NP)用于产生CO。
实验结果和理论计算表明,Ag单原子掺杂Cu NP时,由于Cu原子与相邻Ag原子的不对称成键以及压应变作用,使得*CO在Cu位上的吸附能大大增加,从而使C-C耦合能力比纯Cu NP有明显提高。同时,纳米颗粒中有更多的未配位的Ag位点,这些低配位的Ag原子在CO2还原为CO的反应中最为活跃。因此,Ag原子起着以下两个关键作用:1.促进CO2还原为CO;2.CO原子溢出到这个不对称的活性位点,加速了C-C偶联反应。综上,AgCu SAA和Ag NP的级联催化作用是产生高C2+选择性的主要原因。
电化学测试结果显示,在碱性电解质流动池中,AgCu SANP级联催化剂在720 mA cm−2电流密度下(−0.65 V)的多碳产物的法拉第效率为94±4%,远高于Cu NP (56±7%)、AgCu SAA (78±3%)和AgCu NP (73±1%)。
此外,当进料CO2浓度降低到20%时,AgCu SANP对CO2RR的FE为95±2%,对C2+产物的FE为76±1%;当CO2气体浓度从15%降至10%时,C2+ FE从57±6%(占总CO2RR的70%)降至35±1%(占总CO2RR的43%),表明AgCu SANP在实际条件下具有广阔的应用前景。综上,该项工作不仅报道了一种高效的多碳产品生产催化剂,而且为未来选择性C2+产物的生产提供了一种级联催化策略。
Cascade Electrocatalysis via AgCu Single-atom Alloy and Ag Nanoparticles in CO2 Electroreduction toward Multicarbon Products. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-41871-w
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