image: 铜基CO2还原催化剂的活性、选择性和耐久性调控 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
为了实现“碳中和”目标,亟需开发高效的CO2转换技术。CO2电化学还原能够利用可再生能源产生的电能,以及低成本水作为质子源,将CO2转化为高附加值的燃料或化学品。如果能够实现大规模应用,不仅能够减少温室气体排放,还能发展出一条不依赖化石资源的化工途径。目前,CO2电化学还原面临的挑战主要有两方面:CO2水中溶解度很低,使得全浸没电极的电流密度通常低于几十mA/cm2,远不能满足实用化要求的数百mA/cm2以上。故需要发展基于气体扩散电极(GDE)的CO2电解器技术,提高CO2传质效率,实现低槽压、工业级电流密度的CO2转化;CO2是一种非极性的线性分子,具有很强的键能,难以活化和转化。同时CO2还原产物种类多样,并常伴随着严重的析氢反应(HER)。因此,发展高活性和选择性的电催化剂至关重要。铜(Cu)是唯一能同时产生一氧化碳(CO)、甲酸/甲酸盐(HCOOH/HCOO−)和深度还原产物如甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)和乙醇(C2H5OH)的金属催化剂。然而,其催化活性、选择性和耐久性仍远不能满足实际应用需求。
武汉大学庄林/王功伟课题组综述了近年来Cu基CO2还原催化剂的研究进展,重点介绍了提高催化剂活性、选择性和耐久性的策略。这些有效策略可分为两类:一是调控Cu表面的原子或电子结构,从而影响反应物或中间物种的吸附强度及构型,实现对反应路径的控制。具体方法包括调控Cu催化剂的粒度、组成、形貌和结构;二是调控Cu表面局域物理/化学环境,例如,高比表面多孔Cu催化剂在CO2还原过程中会形成局部高pH环境,从而影响C-C偶联和质子耦合电子转移过程。或者在Cu表面修饰功能性的分子或聚合物,实现对CO2还原的控制。此综述首先根据CO2还原产物进行分类,总结上述策略在促进CO2还原成特定产物中的应用。同时简要讨论了Cu基催化剂失活原因及相应的解决策略。最后对该领域目前面临的挑战和未来机遇进行了概述。论文共同第一作者为武汉大学硕士研究生刘畅和龚隽,通讯作者为庄林教授和王功伟副研究员。
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Science China Chemistry