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嚴乙銘/楊志宇ACS Nano：Ce4+ 4f和O 2p發生非常規耦合，穩定Cu+物種并促進CO2轉化為C2H4

電催化二氧化碳還原反應(CO₂RR)是一種將CO₂轉化為高附加值產品(如CO，HCCOH或CH₄，CH₃OH，多碳產品和碳氫化合物(C₂₊))的最有前景的方法。其中，C₂H₄在化學工業中占據重要地位，是合成其他燃料的重要原料。

在各種過渡金屬催化劑中，銅基催化劑具有較高的法拉第效率和較高的C₂₊電流密度。然而，在CO₂RR條件下，由于活性Cu⁺物種被電還原為金屬Cu而迅速失活，這阻礙了CO₂RR的進一步發展。

為了解決這個問題，已經開發了幾種策略，如等離子體激活、元素摻雜、界面修飾、合金化等以穩定Cu⁺物種。然而，在苛刻的CO₂RR條件下有效穩定Cu⁺仍然是一個巨大的挑戰，因此，了解銅基催化劑中Cu價態與C₂₊產物選擇性之間的關系至關重要。

基于此，北京化工大學嚴乙銘和楊志宇等通過在Ce-Cu₂O中構建Ce⁴⁺ 4f-O 2p-Cu⁺ 3d結構，研究了高階軌道Ce⁴⁺ 4f共價對穩定Cu⁺物種的作用以及Cu⁺活性位與C₂₊選擇性之間的潛在關系。

結果表明，Ce-Cu₂O催化劑中的Ce-O-Cu結構有效地抑制了晶格氧的流失，并通過Ce⁴⁺ 4f-O 2p相互作用穩定了Cu⁺。

重要的是，Ce-Cu₂O催化劑在?1.3 V時的C₂H₄/CO比值為1.93，明顯高于純Cu₂O催化劑(C₂H₄/CO為1.14)，表明Ce-Cu₂O催化劑具有良好的電催化活性和穩定性。此外，在苛刻的CO₂RR條件下，Ce-Cu₂O催化劑能夠連續7小時穩定生產C₂H₄。

原位表征和理論計算表明，Ce-Cu₂O催化劑中穩定的Cu⁺物種存在于CO₂RR整個過程中，以及Ce⁴⁺ 4f-O 2p-Cu⁺ 3d結構中高階Ce⁴⁺ 4f軌道和O 2p軌道之間發生非常規耦合。此外，Ce⁴⁺ 4 f和O 2p之間的非常規耦合降低了Ce-Cu₂O上反應中間體的吸附能，增強了CO₂的活化，以及促進CO*中間體二聚反應生成C₂H₄。

綜上，該項工作證明了高階軌道4 f共價穩定Cu⁺的有效性，并建立了銅的價態和乙烯選擇性之間的關系，這些發現對于設計基于銅離子活性位點的高效CO₂RR催化劑具有重要意義。

Boosting CO₂ Electroreduction to C₂H₄ via Unconventional Hybridization: High-Order Ce⁴⁺ 4f and O 2p Interaction in Ce-Cu₂O for Stabilizing Cu⁺. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c03952

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