銅配合物衍生銅-氧化亞銅催化劑的原位電合成及其對二氧化碳電還原制備C2產(chǎn)物催化性能的研究

劉志敏

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京分子科學(xué)國家研究中心，中國科學(xué)院膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)重點實驗室，北京 100190

電催化劑制備及CO2還原過程。

二氧化碳(CO2)是主要的溫室氣體，同時也是廉價、無毒、豐富、可再生的C1資源1。將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品具有碳資源合理利用和環(huán)境保護雙重意義，近年來引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。然而，由于CO2熱力學(xué)穩(wěn)定、動力學(xué)惰性，其轉(zhuǎn)化利用存在熱力學(xué)和動力學(xué)的雙重難題。采用電化學(xué)方法將CO2轉(zhuǎn)化為液體燃料和高附加值化學(xué)品，是具有重要應(yīng)用前景的技術(shù)路線之一2。隨著可再生電能發(fā)電量不斷增加，可以利用可再生電源將CO2轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。目前，CO2電催化還原產(chǎn)物主要為C1產(chǎn)物，如CO、甲酸、甲醇等3-5。由于C-C偶聯(lián)在電催化還原CO2過程中很難實現(xiàn)等原因，將CO2轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)物比轉(zhuǎn)化成C1產(chǎn)物難度大得多。開發(fā)高效的電催化劑，在低起始電位、低過電位、高電流密度和高法拉第效率下將CO2轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)物具有重要意義，但也是一個難題。

近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所韓布興課題組在Nature Communications上發(fā)表題為《銅配合物衍生銅-氧化亞銅催化劑的原位電合成及其電催化轉(zhuǎn)化二氧化碳為C2產(chǎn)物的研究》的文章6。他們首先采用電合成的方法在銅基底上生長銅配合物，在CO2電還原過程中銅配合物很快原位變成三維樹枝狀結(jié)構(gòu)的銅-氧化亞銅復(fù)合物。這種原位生長的催化劑對于CO2還原為C2產(chǎn)物(乙酸和乙醇)具有優(yōu)異的催化性能。在施加電位為-0.4 V vs RHE條件下，C2產(chǎn)物的法拉第效率可達到80%，電流密度為11.5 mA·cm-2，乙酸和乙醇的過電位僅分別為0.53 V和0.48 V。

他們采用多種手段對催化材料具有優(yōu)異性能的原因進行深入研究。結(jié)果表明，此類催化劑的突出性能主要源于三個方面。一是這種方法制備的電催化劑在銅基底上原位生長，因此催化材料和銅基底之間接觸電阻很小，這有利于提高電子的傳輸，降低過電位和施加的電壓；二是原位生成的Cu(I)/Cu(0)具有3D樹枝狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于充分暴露催化劑的活性位點，因此催化劑的活性很高、過電位低，同時3D結(jié)構(gòu)使得中間產(chǎn)物在催化劑中停留更長的時間，有利于較大分子的生成；三是Cu(I)/Cu(0)表面之間的協(xié)同作用有效促進CO2活化及C-C偶聯(lián)，這有利于提高C2產(chǎn)物的高選擇性。這種在基底上原位生成金屬絡(luò)合物，絡(luò)合物進一步原位電還原演化為催化材料的方法對CO2電還原高效催化劑設(shè)計具有借鑒意義，這一方法可以用于制備一些其他CO2電還原材料。這一工作得到了國家重點研究計劃、國家自然科學(xué)基金委等部門的經(jīng)費支持。