陆奇团队在二氧化碳/一氧化碳电催化反应设计及机理研究中取得新进展

清华新闻网2月9日电 近期，清华大学化工系陆奇团队通过设计催化剂，发展原位光谱技术和反应器，在二氧化碳（CO2）/一氧化碳（CO）电催化反应设计及机理研究方面取得重要进展，提出并验证了通过调控关键中间体CO结合能提高反应活性和选择性的新见解，为该领域发展提供了新的思路。

随着人类社会生产力的高速发展，工业排放的大量二氧化碳（CO2）所引发的全球变暖危机是人类命运共同体需要面对的重要挑战。为实现全社会“碳达峰、碳中和”的双碳目标，使用可再生能源发电将大气中的二氧化碳转化成大宗化学品是人类应对温室效应的一种可行手段。考虑到目前学术界已经实现了CO2到CO的高效、高活性转化，如何通过电催化的方式将CO还原（CORR）成具有更高附加值的高附加值多碳液体产物（乙醇、乙酸和异丙醇等）是所有研究者关心的重点。

在这项研究中，研究人员从实际应用角度出发，实现了催化剂的规模化制备和反应池的高功率运行。首先，利用高能球磨的方法合成了一系列不同铜银比例催化剂，并在微流道电解池中测试了催化剂的CORR活性。研究发现，铜银比例为8：2的催化剂在较低过电势（-0.56 V）便可以达到工业级别的电流密度（>130mA/cm2）并对高附加值多碳液相产物呈现接近了80%的选择性。为了模拟工业生产过程，该课题组自主搭建了一台100cm2的膜电极反应器，以15 A的总电流稳定运行了100小时，展现了该催化剂在工业生产领域中极高的应用前景。


铜银催化剂一氧化碳还原活性(a) 8：2铜银催化剂、氧化铜催化剂以及粉末铜催化剂的CORR反应电流以及对多碳液相产物的选择性；(b)不同铜催化剂CORR中的产物选择性分布；(c)现阶段已报道的先进催化剂性能对比；(d) 8：2铜银催化剂在100cm2膜电极中性能表现。

为了进一步探究催化剂对高附加值的多碳液相产物选择性提升的机理，研究人员借助表面增强红外光谱（SEIRAS）对该反应的关键吸附中间体进行了研究。研究人员自主设计了一台能够快速切换电解液的流动性红外电解池，观察催化剂的吸附CO峰面积随时间的变化情况，并首次测量了CO在Cu催化剂表面的吸附/解吸动力学，以此推断Ag金属能够促进铜催化剂产生CO的弱吸附位点。结合红外以及高角环形暗场扫描透射显微镜（HAADF-STEM）等表征技术，研究人员发现Cu金属上的CO弱吸附位点有助于多碳液相产物的生成。


一氧化碳在催化剂上的解吸速率 (a) 自主设计的快速切换电解液红外电解池；(b) CO在氧化铜催化剂和8：2铜银催化剂上的红外峰示意图；(c) CO在氧化铜催化剂和8：2铜银催化剂解吸速率图。

该工作以“铜银界面产生弱吸附CO位点促进一氧化碳电还原至液相多碳产物”（Weak CO binding sites induced by Cu–Aginterfaces promote CO electroreduction tomulti-carbon liquid products）为题，于2月8日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。研究论文共同第一作者为清华大学化学工程系2017级博士生李晶和2020级博士生熊浩呈，导师为清华大学化学工程系陆奇副教授，同时参与该项研究的还有北京大学化学与分子工程学院徐冰君教授以及中科院北京凝聚态物理国家实验室苏东研究员。文章的共同通讯作者为清华大学化学工程系陆奇副教授。该项研究工作得到了清华大学自主科研专项、国家自然科学基金等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36411-5