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?電子科大/大化所Nat. Commun.: Cu中引入Sb和Pd單原子,促進CO2轉化為CO

?電子科大/大化所Nat. Commun.: Cu中引入Sb和Pd單原子,促進CO2轉化為CO
銅(Cu)是一種獨特的金屬,可以顯著激活CO2并產生多種產物,包括碳氫化合物和氧化物。然而,Cu的選擇性較差,特別是對于單碳產品,如CO和甲酸鹽。近年來,Cu基單原子合金(SAAs)得到了發展,其可以提高CO2RR中單碳產物的選擇性。通過與單原子金屬合金化,可以微調Cu的電子結構,使反應物和中間體的解吸和吸附達到最佳平衡,從而產生所需的特定產物。以前的工作表明,Cu催化劑在CO2RR下會通過原位結構演變形成活性納米顆粒。雖然單原子合金化可以在一定程度上穩定相鄰Cu原子的表面,但是這些二元SAAs也會在高電流(>?500 mA cm-2)下進行合金重構,導致CO生產過程中的活性-穩定性不平衡。
?電子科大/大化所Nat. Commun.: Cu中引入Sb和Pd單原子,促進CO2轉化為CO
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為了提高CO的選擇性和活性,同時實現長期穩定性,電子科技大學夏川中國科學院大連化物所肖建平等在Cu中引入多種金屬單原子(Cu92Sb5Pd3),以此來調整SAAs的性能。
實驗結果和理論計算表明,Sb和Pd單原子對Cu的協同作用使得電子從Cu上轉移到Sb/Pd,同時導致Cu的d帶中心下移,這有效削弱了*CO的吸附,并抑制HER反應。此外,根據自由能的熱力學關系(ΔG=ΔH-TΔS),系統的混合熵(ΔSmix)可以隨著合金中元素數量的增加而增加,因此在Cu中引入多種單原子金屬導致較低的ΔG和改善的穩定性。
?電子科大/大化所Nat. Commun.: Cu中引入Sb和Pd單原子,促進CO2轉化為CO
?電子科大/大化所Nat. Commun.: Cu中引入Sb和Pd單原子,促進CO2轉化為CO
性能測試結果顯示,在0.5 M KHCO3中,Cu92Sb5Pd3催化劑在?0.93 VRHE下的CO選擇性達到100%,部分電流密度為?402 mA cm?2。在中性電解質中,CO部分電流密度可以達到?1 A cm?2,超過了許多最先進的貴金屬催化劑;此外,該催化劑在?100 mA cm?2下能夠連續穩定運行528小時,在該過程中FECO大于95%。
總的來說,該項工作證實了Cu與多種金屬單原子形成合金能夠顯著增強催化活性和穩定性,并且所提出的催化劑設計思路可以進一步推廣到其他元素組合和各種電催化反應中。
Turning copper into an efficient and stable CO evolution catalyst beyond noble metals. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-50436-4

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