Nat. Commun.：电流和电位对Cu的CO2电还原选择性的影响

【引言】

CO₂电还原作为一种新兴碳捕集方式，其通过利用电能将CO₂转化为燃料或化学原料。在众多金属电催化剂中，Cu是唯一一种可将CO₂有效转化为烃类或含氧化合物的金属，其催化活性一般与表面形貌、颗粒尺寸、晶粒尺寸与晶面、晶界、应力、电极表面局部pH值升高、存在原子尺度缺陷或催化剂中残留氧原子等有关，但其催化机理尚不明确。然而，施加偏压对催化剂选择性的影响尚待系统研究。

【成果简介】

近日，新加坡国立大学Boon Siang Yeo副教授（通讯作者）等人设计了四种具有不同粗糙度的Cu催化剂。通过调节催化剂形貌改变粗糙度，从而使催化剂在特定电位下呈现出合适的电流密度。首先，通过拉曼光谱表征，研究者发现^*CO是Cu催化CO₂还原为烃的关键中间产物，并且CuO薄膜在CO₂电还原过程中变为Cu，表明催化活性位点为金属Cu。然后，对四种催化剂不同产物的选择性研究发现，不同产物会在特定电压范围下形成。另外，通过对前人工作总结得出，在相同的电位窗口下，不同的Cu单晶会选择性生成某一种产物，如CH₄或C₂H₄等。此外，对20种其他Cu催化剂的选择性研究发现，CH₄、C₂H₄和HCOO^-/CO分别在<-1.1V、-0.9V~-1.1V以及>-0.9V的电位窗口下产生。最后，结合理论计算分析主要产物的反应机理，与实验结果互相印证。

【图文导读】

图一 四种Cu催化剂表征

a-h) 四种Cu催化剂的SEM及SAED图，标尺a-g) 为1μm，a-d) 插图为5nm^-1

i) CuO表面的非原位拉曼光谱

j) CuO-60在CO₂电还原时的原位拉曼光谱及时间电流曲线

图二 四种催化剂的CO₂电还原性能

a-b) 四种催化剂总电流密度及CO₂电还原电流密度

c) Cu-10和CuO-1催化产生CH₄的法拉第效率

d) CuO-1、CuO-10和CuO-60催化产生C₂H₄和C₂H₅OH的法拉第效率

e) CuO-60催化产生CO和HCOOH的法拉第效率

图三 CO₂电还原的反应机制

a) C₁产物生成路径

b) C₂产物生成路径

图4 各产物选择性产生的电位窗口

a) 文献中不同Cu单晶催化产生各产物的法拉第效率

b) 其他研究组报导的Cu催化剂选择性

【小结】

这项研究工作主要探究了施加偏压以及电流对产物选择性的影响，提出通过调节形貌改变催化剂粗糙度，从而影响在特定电位下的电流密度。为合理设计高选择性Cu催化剂提供了有效思路。

文献链接：The effects of currents and potentials on the selectivities of copper toward carbon dioxide electroreduction （Nat. Commun.，2018，DOI: 10.1038/s41467-018-03286-w）

本文由材料人编辑部新人组刘思宇编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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