Oxygen Vacancy-Rich Amorphous Copper Oxide Enables Highly Selective Electroreduction of Carbon Dioxide to Ethylene

Tianran Wei Shusheng Zhang Qian Liu Yuan Qiu Jun Luo Xijun Liu

Citation:  Tianran Wei, Shusheng Zhang, Qian Liu, Yuan Qiu, Jun Luo, Xijun Liu. Oxygen Vacancy-Rich Amorphous Copper Oxide Enables Highly Selective Electroreduction of Carbon Dioxide to Ethylene[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(2): 2207026-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202207026 shu

富氧空位的非晶氧化铜高选择性电催化还原CO2制乙烯

    通讯作者: 刘熙俊, xjliu@tjut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22075211

    国家自然科学基金 21601136

    国家自然科学基金 51971157

    国家自然科学基金 51621003

    天津市杰出青年科学基金 19JCJQJC61800

摘要: 过量化石能源的消耗导致大气中的二氧化碳含量不断上升,由此引发包括温室效应在内的环境问题。对此,常温常压下的电催化二氧化碳还原手段为制备高附加值的化工原料和实现碳循环提供了一种很有前景的技术储备。在众多的二氧化碳还原产物中,碳氢化合物尤其是乙烯,它作为塑料和其他化工产品的重要原料受到广泛的关注。电催化二氧化碳还原制乙烯工艺不仅可适配于现有的生产设备也可作为取代目前工业化的裂解方法。近年来,研究者们为了开发高效的电催化二氧化碳还原制乙烯催化剂开展了大量的研究。不过值得注意的是,大部分研究集中于铜基材料。尽管目前研究者取得了很多成果,但仍缺少可高选择性产乙烯的二氧化碳还原催化剂。如何设计出可活化二氧化碳分子,同时对*CO和*COH中间物有强吸附能力的催化剂是研究难点。针对此问题,本文中通过真空蒸镀的方法制备出一种富氧空位的非晶氧化铜纳米薄膜催化剂。受益于纳米薄膜的构建和氧空位的引入,该催化剂可快速进行电荷和物质的交换,并利于二氧化碳分子的吸附及优化还原中间产物的亲和力,进而表现出优异的电催化二氧化碳制乙烯的性能。结果表明,在加有0.1 mol∙L−1碳酸氢钾溶液的H型电解池中测试中,该催化剂在相对于可逆氢电极电势为−1.3 V的产乙烯法拉第效率可达85% ± 3%。此外,该催化剂在长达48 h的电催化还原过程中仍可保持高的乙烯选择性。这些指标与已报道的最好的铜基催化剂的性能相当。另外,结构和化学手段表明该催化剂在电解反应中可保持良好的稳定性。进一步,我们测试了该催化剂在膜电极体系的性能,结果表明该催化剂的最大乙烯局部电流密度可达115.4 mA∙cm−2 (操作电压为−1.95 V),最高法拉第效率可达78% ± 2% (操作电压为−1.75 V)。理论和实验结果证明该催化剂的高乙烯选择性源于引入的氧空位不仅有利于二氧化碳分子的吸附,而且可增强对*CO和*COH的亲和力。本论文的研究不仅可激发学术界对高乙烯选择性的非晶铜基材料开发,同时在一定程度上提供有关电催化二氧化碳制乙烯的反应机制认识。

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  • 发布日期:  2023-02-15
  • 收稿日期:  2022-07-12
  • 接受日期:  2022-09-08
  • 修回日期:  2022-08-29
  • 网络出版日期:  2022-09-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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