吉大鄢俊敏Adv. Mater. : 高活高效非晶态铜纳米颗粒于电催化还原CO2中制备液体燃料的应用

【引言】

铜基材料能够通过电催化还原CO₂直接产生碳氢化合物和醇等燃料，这一现象自20世纪80年代早期以来就吸引了众多研究人员的关注。然而，大多数铜基催化剂在水溶液中电催化还原CO₂生成甲酸(HCOOH)和/或乙醇(C₂H₆O)时，选择性(常伴随CO、CH₄以及C₂H₄等气体产物生成)和法拉第效率(FEs：0-34%，伴随严重的析氢竞争反应)仍难以满足需求。因此，为提高铜基催化剂对电催化还原CO₂生成液体燃料的选择性和法拉第效率，研究人员采取了一系列措施，如调整化学价态、表面修饰和形貌调控等。此外，研究者们几乎将所有的注意力都集中于晶态铜基催化剂。相比晶态材料而言，非晶态材料通常具有大量低配位原子，因此存在大量缺陷，进而产生更多的催化活性中心以提高电化学性能。

【成果简介】

近日，吉林大学鄢俊敏教授(通讯作者)等提出了一种简单而非常有效的方法来合成非晶铜纳米颗粒(a-Cu)，该非晶态铜纳米颗粒具有优越的电催化还原CO₂制备液体燃料的性能，并在Adv. Mater.上发表了题为“Amorphizing of Cu Nanoparticles toward Highly Efficient and Robust Electrocatalyst for CO₂ Reduction to Liquid Fuels with High Faradaic Efficiencies”的研究论文。上述非晶态铜纳米颗粒实现了对合成液体燃料的高催化活性和选择性，液体燃料总的法拉第效率在-1.4 V时最大，高达59%，其中HCOOH和乙醇C₂H₆O分别为37%和22%。此外，非晶态铜纳米颗粒还具有良好的的稳定性，达12 h以上。这项工作为提升基于非晶态金属催化剂的电催化还原CO₂性能开辟了新的途径。

 【图文简介】

图1 铜纳米颗粒的制备和结构

a) a-Cu和c-Cu的制备示意图；

b) a-Cu和c-Cu的XRD图谱；

c) a-Cu和c-Cu的Cu 2p XPS谱图。

图2 铜纳米颗粒的形貌表征

a,b) a-Cu和c-Cu的TEM图像，插图为各自的HRTEM图像；

c,d) a-Cu和c-Cu的粒径尺寸分布；

e,f) a-Cu和c-Cu的SAED图像。

图3 铜纳米颗粒的催化性能

a) 在50 mVs^-1扫速下，a-Cu和c-Cu分别在Ar(虚线)和CO₂饱和(实线)的0.1 M KHCO₃溶液中的LSV曲线；

b,c) a-Cu和c-Cu在给定电势(-1.4 V)下2 h中液体产物的FE；

d) a-Cu和c-Cu在一系列电势下产生液体产物的局部电流密度。

图4 铜纳米颗粒的性能表征

a) a-Cu和c-Cu在不同扫速下的电流密度图，图中数字代表a-Cu和c-Cu的比容量；

b) a-Cu和c-Cu的CO₂吸附等温线；

c) a-Cu和c-Cu生成HCOOH的塔菲尔斜率，其中j_HCOOH为生成HCOOH的局部电流密度；

d) a-Cu的稳定性测试。

【小结】

作者将非晶态铜纳米颗粒应用于电催化还原CO₂，并显著提高了制备液体燃料的活性和选择性。非晶态铜催化剂(a-Cu)较小的尺寸，较大的电化学活性面积以及较强的CO₂吸附能力发挥了重要的作用。铜基催化剂的非晶化可用于促进电催化还原CO₂转化为高利用价值的液体燃料，具有良好的应用前景。此外，非晶态催化剂的应用还可扩展到如电催化还原O₂/N₂等其他能量转换/存储科技领域。

文献链接：" Amorphizing of Cu Nanoparticles toward Highly Efficient and Robust Electrocatalyst for CO₂ Reduction to Liquid Fuels with High Faradaic Efficiencies" (Adv. Mater. , 2018, DOI: 10.1002/adma.201706194)。

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