電化學CO2還原反應(CO2RR)是一種減少CO2排放的有效策略。并且,銅基電催化劑可以有效地電催化CO2轉化為碳氫化合物和乙醇產品,但是保留活性高價CuOx仍然是一個難以實現的目標。根據前人文獻報道,金屬-載體相互作用在反應條件下能夠保留金屬物種的初始化學性質,所以精確控制電催化劑-載體的相互作用以保持銅的化學狀態對于開發高效的CO2RR電催化劑非常重要。
基于此,臺灣大學陳浩銘和臺灣同步輻射研究中心林彥谷等以以金屬氧化物為載體負載銅催化劑,來闡明電催化劑與載體之間的相互作用。具體而言,研究人員利用CdOx、ZnOx、MnOx、AlOx、TiOx和SiOx等各種金屬氧化物作為載體,通過獨特的脈沖電化學活化過程可以驅動電催化劑普遍進行結構演變成豐富的Cuδ+O/Mδ+O(M=Lewis酸性載體)界面,其存在有效保留Cuδ+O物種的電催化劑?Lewis酸載體相互作用(ELASI)。
其中,保留的Cuδ+O和產生的Cu0之間適當ELASI對于驅動C2+產物的C?C耦合是必要的,而強ELASI則會抑制Cu0的產生并導致促進C2+生產的Cu0?Cu+對嚴重不足。因此,以ZnOx載體為例,活化后的Cu0.50Zn0.50Ox電催化劑在?0.9 VRHE下C2+的質量活性是CuOx的兩倍,并且Cu在活性Cu0.50Zn0.50Ox中的氧化態高于CuOx,進一步表明Cuδ+O/Znδ+O界面與C2+產物形成的強相關性。
此外,分別以CO和CO2作為原料進行電催化還原,Cu0.50Zn0.50Ox電催化劑在?0.5 VRHE下的C2+產物的法拉第效率分別為45%和8.7%,證明了C2+產物的增強歸因于Cu0.50Zn0.50Ox固有的強ELASI富集Cuδ+O/Znδ+O界面,而不是串聯催化效應。綜上,這項工作所提到的ELASI為后續研究催化劑性質-性能之間的關系提供了理論基礎,有助于未來設計出更優越的CO2RR電催化劑。
Lewis Acidic Support Boosts C–C Coupling in the Pulsed Electrochemical CO2 Reaction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c00472
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