二氧化碳電催化還原反應利用清潔電能將二氧化碳和水在溫和條件下轉化為燃料和化學品，可同時實現(xiàn)碳循環(huán)利用和可再生能源存儲。二氧化碳電催化還原反應的產(chǎn)物種類繁多，與一氧化碳和甲酸等C1產(chǎn)物相比，乙烯、乙醇和丙醇等C2+產(chǎn)物具有更高的能量密度和附加值，但將二氧化碳電催化轉化為C2+產(chǎn)物涉及到多質(zhì)子-多電子轉移、反應中間物種復雜、碳-碳偶聯(lián)步驟困難，造成C2+產(chǎn)物的選擇性和生成速率較低。如何在工業(yè)級電流密度下提高生成C2+產(chǎn)物的法拉第效率是目前二氧化碳電催化還原研究亟待解決的關鍵問題之一。
本工作中，研究團隊制備了一種具有豐富Cu0/Cu+界面的Cu-CuI復合催化劑，用于二氧化碳電催化還原制備C2+化學品。在流動電解池中，該復合催化劑的最高C2+產(chǎn)物法拉第效率達到71%，在1.0V vs. RHE時，C2+分電流密度為591mA/cm2，顯著高于單獨的Cu或CuI催化劑;在0.8V vs. RHE時，其幾何電流密度在85小時測試中穩(wěn)定在~550 mA/cm2，乙烯和C2+產(chǎn)物法拉第效率略有下降。催化劑結構表征表明，Cu-CuI復合催化劑在強堿性電解質(zhì)和電極電勢的誘導下發(fā)生顯著重構。結合控制實驗和密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)，重構后催化劑表面上的Cu+和吸附碘物種是促進Cu-CuI復合催化劑上高效制備C2+產(chǎn)物的主要原因。吸附碘物種一方面穩(wěn)定Cu+物種促進C-C偶聯(lián)，另一方面通過影響*CO吸附強度直接促進C-C偶聯(lián)。上述研究為高效二氧化碳電催化還原催化劑的設計和制備提供了新策略。
相關工作于近日以題為“High-Rate CO2 Electroreduction to C2+ Products over a Copper-Copper Iodide Catalyst”發(fā)表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。該工作的第一作者是我所502組2019級博士研究生李合肥。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院青年創(chuàng)新促進會等項目的支持。
