吉大鄢俊敏Adv. Mater. : 高活高效非晶态铜纳米颗粒及其电催化还原CO2制液体燃料

【引言】

铜基材料能够通过电还原CO₂直接产生碳氢化合物和醇，这一现象自20世纪80年代早期以来已吸引了众多研究人员关注。然而，在大多数铜催化剂生成HCOOH和/或C₂H₆O的过程中，其在水溶液中的选择性(常伴随CO、CH₄以及C₂H₄等气体产物生成)和法拉第效率(FEs)(0-34%)(严重的产氢竞争反应)仍然难以满足需求。因此，为提高铜基催化剂的选择性和法拉第效率，研究人员采取了不同的策略，如调整化学态、表面修饰和形貌调控等。值得注意的是，所有的注意力基本都集中于晶态铜催化剂。相比晶态材料，非晶态材料通常具有大量低配位原子，因此存在丰富的缺陷，进而产生更多的催化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)等首次提出了一种简单而非常有效的方案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化学还原CO₂制液体燃料性能，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时最大可达到59%，甲酸(HCOOH)和乙醇(C₂H₆O)分别达到37%和22%，稳定12 h以上。更重要的是，这项工作为提升基于非晶态金属催化剂的电还原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，内插为各自的HRTEM图像；

c,d) a-Cu和c-Cu的尺寸分布；

e,f) a-Cu和c-Cu的SAED图谱。

图3 铜纳米颗粒的催化性能

a) 50 mV·s^-1扫速下，铜纳米颗粒在Ar饱和(虚线)或CO₂饱和(实线)的0.1 M KHCO₃溶液单一还原LSV曲线；

b,c) 给定电势下2 h液体产物的FE；

d) 液体产物产生的局部电流密度。

图4 非晶态铜纳米颗粒的长期稳定性

a) 两种电极在不同扫速下的电流密度图，图中显示了a-Cu和c-Cu的比容量；

b) 两种电极的CO₂吸附等温线；

c) a-Cu和c-Cu的HCOOH产生的塔菲尔斜率，其中j_HCOOH为HCOOH的局部电流密度；

d) a-Cu的稳定性测试。

【小结】

作者首次利用非晶态铜纳米颗粒显著提高了电催化还原CO₂转化为液体燃料的活性和选择性。非晶态铜催化剂(a-Cu)的较小的尺度以及较大的电化学活性面对于增强室温下吸附CO₂性能起到了至关重要的作用。铜催化剂的非晶化可用于电还原CO₂转化为其他高附加值液体燃料，其应用前景良好。此外，非晶态催化剂的应用可扩展到其他能量转换/存储科技领域，如电还原O₂/N₂等反应。

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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