我所实现二氧化碳电催化还原高效制备C2+化学品

  近日,我所催化基础国家重点实验室汪国雄研究员、高敦峰研究员与包信和院士团队,在二氧化碳电催化还原研究方面取得新进展,实现了二氧化碳电催化还原高效制备C2+化学品,为二氧化碳资源化利用提供了新思路。

  二氧化碳电催化还原反应利用清洁电能将二氧化碳和水在温和条件下转化为燃料和化学品,可同时实现碳循环利用和可再生能源存储。二氧化碳电催化还原反应的产物种类繁多,与一氧化碳和甲酸等C1产物相比,乙烯、乙醇和丙醇等C2+产物具有更高的能量密度和附加值,但将二氧化碳电催化转化为C2+产物涉及到多质子-多电子转移、反应中间物种复杂、碳-碳偶联步骤困难,造成C2+产物的选择性和生成速率较低。如何在工业级电流密度下提高生成C2+产物的法拉第效率是目前二氧化碳电催化还原研究亟待解决的关键问题之一。

  本工作中,研究团队制备了一种具有丰富Cu0/Cu+界面的Cu-CuI复合催化剂,用于二氧化碳电催化还原制备C2+化学品。在流动电解池中,该复合催化剂的最高C2+产物法拉第效率达到71%,在1.0V vs. RHE时,C2+分电流密度为591mA/cm2,显著高于单独的Cu或CuI催化剂;在0.8V vs. RHE时,其几何电流密度在85小时测试中稳定在~550 mA/cm2,乙烯和C2+产物法拉第效率略有下降。催化剂结构表征表明,Cu-CuI复合催化剂在强碱性电解质和电极电势的诱导下发生显著重构。结合控制实验和密度泛函理论计算发现,重构后催化剂表面上的Cu+和吸附碘物种是促进Cu-CuI复合催化剂上高效制备C2+产物的主要原因。吸附碘物种一方面稳定Cu+物种促进C-C偶联,另一方面通过影响*CO吸附强度直接促进C-C偶联。上述研究为高效二氧化碳电催化还原催化剂的设计和制备提供了新策略。

  相关工作于近日以题为“High-Rate CO2 Electroreduction to C2+ Products over a Copper-Copper Iodide Catalyst”发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。该工作的第一作者是我所502组2019级博士研究生李合肥。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会等项目的支持。(文/图 李合肥、刘天夫)

  文章链接:https://doi.org/10.1002/anie.202102657

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