干货:一文解读铜基CO2还原催化剂
铜基材料是CO2还原反应中非常特殊的一类催化剂,无论是在CO2电还原还是热还原加氢反应。Rossmeisl教授在其综述[ChemPhysChem 2017, 18, 3266-3273]中认为Cu的特殊性在于Cu对H的吸附弱,而对CO的吸附适中。对H的吸附弱,决定了Cu在电化学反应中可以抑制产氢反应(HER)的进行,提高含碳产物的法拉第效率;而在热催化加氢中,可以避免C完全加氢生成甲烷,因此Cu是CO2加氢制甲醇的高效催化剂,副产物主要是逆水汽变换反应产生的CO。对CO的吸附适中,保证了Cu在CO2还原中一定的活性,同时scaling relation决定了C-C偶联很难在Cu上发生,因此,CO2加氢制高碳产物的催化剂一般是铁基催化剂(Fe3O4可以逆水汽变换,Fe5C2可以费托),PS:这一点似乎可以利用作为辅助活性位点得到短链烯烃。而在电催化中,由于电子转移的效率更为高效,加上适当的化学修饰,如合金化,掺杂非金属等来调控对中间物种的吸附能力,就可以高选择性的得到高碳产物。
(1)CO2电还原
Hori等将传统金属电极材料按照还原产物分类如下:(1)主产物是HCOOH的材料:Cd、In、Sn、Hg、Tl、Pb等;(2)主产物是CO的材料:Ag、Au、Zn等;(3)主产物是H2的材料:Ni、Fe、Pd、Pt、Ti 等;(4)主产物是烃类的材料只有Cu,如图1所示。
图1. 不同催化剂CO2电还原产物。该图选自[ChemPhysChem 2017, 18, 3266-3273],改编自[J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1989, 85, 2309-2326.]。
迄今为止,所有高碳产物的催化剂基本都是Cu基催化剂。一种典型的CO2电还原制C2+产物的催化剂就是Cu基合金如Cu-Ag、Cu-Au、Cu-Pd、Cu-Zn等,见表1。最近,乔世璋课题组在其综述中队与Cu形成合金的金属进行了分类,他们的分类依据是该金属与Cu相比,是亲O,还是亲H,见图2[Chem 2018, 4, 1809-1831]。对于比Cu对O的吸附更强但对H的吸附更弱的金属如In, Sn, Hg和Pb来说,*COOH是第一步产物,因此反应主要产物是HCOOH。对于比Cu对O和H的吸附都弱的金属如Zn, Ag和Au来说,它们对*COOH的吸附比*CO强,因此CO更容易脱附,并成为主要产物。然而,对于比Cu对H的吸附更强的金属,无论它们对O的吸附是弱(如Pd)还是强(如Co, Ni, Fe, Ir和Pt),HER都是主要反应。笔者认为这种划分对C1产物很有效,而对于C2+产物,则会涉及到C-C偶联,就需要考虑到C,H,O三种元素之间的竞争吸附了。不同于先前课题组的合金体系,Sargent教授课题组利用非金属掺杂实现了很高的C2+产物选择性。
表1. Cu基催化剂CO2电还原制C2+产物总结。
催化剂 |
电解液 |
电势 |
选择性 |
参考文献 |
graphite/carbon NPs/Cu/PTFE |
7 M KOH |
-0.55 V versus RHE |
C2H4 (70%) |
Science 2018, 360, 783–787 |
Cu(B) |
0.1 M KCl |
-1.1 V versus RHE
|
C2+ products (79%): C2H4 (52%), C2H5OH (27%) |
Nat. Chem. 2018, 10, 974-980 |
Cu2S–Cu-V |
0.1 M KHCO |
-0.95 V versus RHE |
C3H7OH (8%), C2H5OH (15%) |
Nat. Catal. 2018, 1, 421-428 |
Cu-on-Cu3N |
0.1 M KHCO3 |
-0.95 V versus RHE |
C2+ products (64%): C2H4 (39%), C2H5OH (19%), C3H7OH (6%) |
Nat. Commun. 2018, 9, 3828 |
Cu63.9Au36.1/NCF |
0.5 M KHCO3 |
-1.1 V versus SCE |
CH3OH (15.9%), C2H5OH (12%) |
J. Power Sources 2014, 252, 85–89. |
Au@Cu |
PBS |
-0.6 V versus RHE |
C2H4 (distribution 20%) |
J. Mater. Chem. A 2015, 3, 23690–23698. |
Ag@Cu |
0.1 M KHCO3 |
-1.06 V versus RHE |
CO (82%) |
J. Phys. Chem. C 2017, 121, 11368–11379. |
CuAg surface alloys |
0.05 M Cs2CO3 |
|
CO dominant (low at % Cu) |
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15848-15857. |
Nanocoral Cu-Ag |
0.2 M CsHCO3 |
-1.0 V versus RHE |
C2H4 (20%), H2 (30%–35%) |
Energy Environ. Sci. 2017, 10, 2222–2230 |
Oxide-derived Cu4Zn |
0.1 M KHCO3 |
-1.05 V versus RHE |
C2H5OH (29.1%), C2H4 (10%) |
ACS Catal. 2016, 6, 8239–8247 |
Pd-decorated Cu |
0.5 M KHCO3 |
-0.96 V versus RHE |
CH4 (46%–40%), C2H4 (7–11%) |
Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13135–13139 |
PhaseSep CuPd |
1 M KOH |
-0.74 V versus RHE |
C2 chemicals (65%) |
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 47–50 |
Cu2O-derived Cu with PdCl2 |
0.1 M KHCO3 |
-1.0 V versus RHE |
C2H6 (30.1%), C2H4 (3.4%) |
J. Phys. Chem. C 2015, 119, 26875–26882 |
图2. 基于H和O的吸附能力对金属的分类[Chem 2018, 4, 1809-1831]。
(2)CO2加氢
Cu/ZnO/Al2O3是20世纪70年代ICI公司发明的一种用于制甲醇的商用催化剂,一直以来就广受关注,对其活性位点的研究经久不衰。有人认为Cu 基催化剂活性成分为 Cu0和 Cu+,且 Cu+/Cu 的比值为 0.7 时催化剂性能最佳,DFT计算也表明Cu+出现在Cu与氧化物载体界面上,且Cu+主要催化生成甲醇的反应,逆水汽反应在 Cu0上进行[Science,2014,345:546-550]。然而,也有人认为Cu基催化剂的活性位点仅为Cu0。实验和理论研究表明,CO2在Cu(111)、Cu(100)和Cu(110)等低指数晶面上吸附较弱,表现出较低的CO2加氢活性及甲醇选择性,产物主要为CO。
2012年,Behrens和Schlögl课题组研究认为(1)平面的纯Cu对甲醇合成的活性低;(2)Cu的台阶面能增强对中间产物的吸附,降低反应能垒,是甲醇合成的活性位点;(3)在Cu的缺陷位掺入Zn可以进一步提高甲醇合成的活性,含氧中间物种(HCOO*, H2CO*,H3CO*等)通过O原子与催化剂表面连接,掺杂Zn后,可以增强活性位点对含氧中间物种的吸附。ZnO与Cu之间金属载体强相互作用使Cu颗粒被部分ZnOx覆盖 [Science, 2012: 1219831]。该研究团队认为CO2加氢在Cu-Zn表面走的是甲酸盐路径,而不是逆水汽变换路径,见图3a。2016年,Sehested组定量分析了ZnO对Cu的促进作用。他们发现无论是Zn覆盖在Cu的低指数晶面,还是台阶面,都能形成活性位点。见图3b,Zn的覆盖度越高,催化剂活性越高。此外,在Cu/ZnO催化剂中,ZnO和Cu的颗粒尺寸大小也与Zn的覆盖度相关,一般而言,ZnO的颗粒越大,Zn的覆盖度越低;Cu的颗粒越小,Zn的覆盖度越低。2017年,Rodriguez课题组用ZnCu 和ZnO/Cu为模型,进一步研究了Cu/ZnO催化剂。他们发现ZnCu合金在CO2加氢反应条件下,Zn会转化为ZnO,这样具有相同Zn覆盖度的ZnCu 和ZnO/Cu的活性也接近。他们认为该催化剂走甲酸盐路径,且活性位点在Cu和ZnO的界面出,见图3c和3d。
图3.
(a) Cu(111), Cu(211)和CuZn(211)表面CO2加氢制甲醇路径[Science, 2012: 1219831]。 (b) Cu/ZnO/Al2O3催化剂中Zn覆盖度对甲醇活性的影响[Science, 2016, 352, 969-974]。(c) ZnCu(211)和(d) ZnO/Cu(111)表面CO2加氢制甲醇路径[Science 2017, 355, 1296-1299]。
通过近年来的文献可以看出,Cu基催化剂无论在CO2电还原还是CO2加氢反应中都具有不可取代的作用,无论是从性能上,还是在机理中,它们仍有很大的潜力可挖。
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