CO2还原和HCHO氧化耦合电催化反应系统高效益生产高附加值产物

吕旭东 邵涛 刘均炎 叶萌 刘升卫

引用本文: 吕旭东, 邵涛, 刘均炎, 叶萌, 刘升卫. CO2还原和HCHO氧化耦合电催化反应系统高效益生产高附加值产物[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5): 230502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305028 shu
Citation:  Xudong Lv, Tao Shao, Junyan Liu, Meng Ye, Shengwei Liu. Paired Electrochemical CO2 Reduction and HCHO Oxidation for the Cost-Effective Production of Value-Added Chemicals[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(5): 230502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305028 shu

CO2还原和HCHO氧化耦合电催化反应系统高效益生产高附加值产物

    通讯作者: 刘升卫, liushw6@mail.sysu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51872341

    广东省“特支计划”科技创新青年拔尖人才项目 2019TQ05L196

    广东省科技计划项目 2021A1515010147

摘要: 传统电化学CO2还原(CO2RR)系统中阳极发生的水氧化半反应(WOR)具有动力学缓慢、过电位大、能耗高等缺点,限制了CO2RR系统的经济效益和应用。因此,本研究引入MnO2阳极进行甲醛氧化半反应(FOR)以代替WOR,构建了一种新型CO2RR/FOR耦合系统。与传统的CO2RR/WOR系统相比,在相同的电压下,CO2RR/FOR耦合系统的CO2RR电流密度和产物的生成速率具有更大的优势。此外,在合适的电压下,CO2RR/FOR耦合系统可以将HCHO选择性地转化为HCOOH。具体来说,两电极CO2RR/FOR耦合系统中,在3.5 V的槽电压下,近90%的HCHO可以被去除,且HCHO转化为HCOOH的转化率约为48%。更重要的是,在不同的工作电流下,FOR相比于WOR所需电压更小。在−10 mA∙cm−2电流密度下,CO2RR/FOR耦合系统能降低约210 mV的槽电压,并且其能耗比单独的CO2RR系统和FOR系统的能耗之和降低45.13%。此外,当使用商业多晶硅太阳能电池作为电源时,在CO2RR/FOR耦合系统中的阴极CO2RR电流密度、产物的生成速率和阳极HCHO转化为HCOOH的选择性都可以实现较大的提升。目前的工作将进一步研究新型的CO2RR耦合系统,以经济有效地将CO2和有机污染物同时转化为有价值的化学品。

English

    1. [1]

      陈瑶, 陈存, 曹雪松, 王震宇, 张楠, 刘天西. 物理化学学报, 2023, 39, 2212053. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212053Chen, Y.; Chen, C.; Cao, X.; Wang, Z.; Zhang, N.; Liu, T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212053. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212053

    2. [2]

      韩布兴. 物理化学学报, 2022, 38, 2012011. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012011Han, B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2012011. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012011

    3. [3]

      刘志敏, 孙振宇. 物理化学学报, 2021, 37, 2012024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012024Liu, Z.; Sun, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2012024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012024

    4. [4]

      石永霞, 侯曼, 李俊俊, 李丽, 张志成. 物理化学学报, 2022, 38, 2206020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202206020Shi, Y.; Hou, M.; Li, J.; Li, L.; Zhang, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2206020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202206020

    5. [5]

      苑琦, 杨昊, 谢淼, 程涛. 物理化学学报, 2021, 37, 2010040. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010040Yuan, Q.; Yang, H.; Xie, M.; Cheng, T. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010040. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010040

    6. [6]

      Liang, Y.; Wu, X.; Liu, X.; Li, C.; Liu, S. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 304, 120978. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120978

    7. [7]

      Ye, M.; Shao, T.; Liu, J.; Li, C.; Song, B.; Liu, S. Appl. Surf. Sci. 2023, 622, 156981. doi: 10.1016/j.apsusc.2023.156981

    8. [8]

      Xie, H.; Wang, T.; Liang, J.; Li, Q.; Sun, S. Nano Today 2018, 21, 41. doi: 10.1016/j.nantod.2018.05.001

    9. [9]

      Gao, S.; Sun, Z.; Liu, W.; Jiao, X.; Zu, X.; Hu, Q.; Sun, Y.; Yao, T.; Zhang, W.; Wei, S.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 14503. doi: 10.1038/ncomms14503

    10. [10]

      Ye, W.; Guo, X.; Ma, T. Chem. Eng. J. 2021, 414, 128825. doi: 10.1016/j.cej.2021.128825

    11. [11]

      Ma, M.; Djanashvili, K.; Smith, W. A. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6680. doi: 10.1002/anie.201601282

    12. [12]

      Wang, J.; Gan, L.; Zhang, Q.; Reddu, V.; Peng, Y.; Liu, Z.; Xia, X.; Wang, C.; Wang, X. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803151. doi: 10.1002/aenm.201803151

    13. [13]

      Yu, N.; Cao, W.; Huttula, M.; Kayser, Y.; Hoenicke, P.; Beckhoff, B.; Lai, F.; Dong, R.; Sun, H.; Geng, B. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 261, 118193. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118193

    14. [14]

      Llorente, M. J.; Nguyen, B. H.; Kubiak, C. P.; Moeller, K. D. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15110. doi: 10.1021/jacs.6b08667

    15. [15]

      Verma, S.; Lu, S.; Kenis, P. J. A. Nat. Energy 2019, 4, 466. doi: 10.1038/s41560-019-0374-6

    16. [16]

      Zhang, S.; Zhuo, Y.; Ezugwu, C. I.; Wang, C. C.; Li, C.; Liu, S. Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 8341. doi: 10.1021/acs.est.1c01277

    17. [17]

      Zhuo, Y.; Guo, X.; Cai, W.; Shao, T.; Xia, D.; Li, C.; Liu, S. Appl. Catal. B: Environ. 2023, 333, 122789. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122789

    18. [18]

      Li, S.; Ezugwu, C. I.; Zhang, S.; Xiong, Y.; Liu, S. Appl. Surf. Sci. 2019, 487, 260. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.05.083

    19. [19]

      Ezugwu, C. I.; Zhang, S.; Li, S.; Shi, S.; Li, C.; Verpoort, F.; Yu, J.; Liu, S. Environ. Sci. Nano 2019, 6, 2931. doi: 10.1039/c9en00871c

    20. [20]

      Silva, A. M. T.; Castelo-Branco, I. M.; Quinta-Ferreira, R. M.; Levec, J. Chem. Eng. Sci. 2003, 58, 963. doi: 10.1016/s0009-2509(02)00636-x

    21. [21]

      Mei, X.; Guo, Z.; Liu, J.; Bi, S.; Li, P.; Wang, Y.; Shen, W.; Yang, Y.; Wang, Y.; Xiao, Y.; et al. Chem. Eng. J. 2019, 372, 673. doi: 10.1016/j.cej.2019.04.184

    22. [22]

      Li, G.; Han, G.; Wang, L.; Cui, X.; Moehring, N. K.; Kidambi, P. R.; Jiang, D. E.; Sun, Y. Nat. Commun. 2023, 14, 525. doi: 10.1038/s41467-023-36142-7

    23. [23]

      Liao, W.; Chen, Y. -W.; Liao, Y. -C.; Lin, X. -Y.; Yau, S.; Shyue, J. -J.; Wu, S. -Y.; Chen, H. -T. Electrochim. Acta 2020, 333, 135542. doi: 10.1016/j.electacta.2019.135542

    24. [24]

      Jin, Z.; Li, P.; Liu, G.; Zheng, B.; Yuan, H.; Xiao, D. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 14736. doi: 10.1039/c3ta13277c

    25. [25]

      Fukunaga, M. T.; Guimarães, J. R.; Bertazzoli, R. Chem. Eng. J. 2008, 136, 236. doi: 10.1016/j.cej.2007.04.006

    26. [26]

      He, D.; Wang, G.; Liu, G.; Bai, J.; Suo, H.; Zhao, C. J. Alloy. Compd. 2017, 699, 706. doi: 10.1016/j.jallcom.2016.12.398

    27. [27]

      Babakhani, B.; Ivey, D. G. J. Power Sources 2011, 196, 10762. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.08.102

    28. [28]

      Sun, M.; Fang, L. M.; Liu, J. Q.; Zhang, F.; Zhai, L. F. Chemosphere 2019, 234, 269. doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.06.083

    29. [29]

      Wang, Z.; Jia, H.; Liu, Z.; Peng, Z.; Dai, Y.; Zhang, C.; Guo, X.; Wang, T.; Zhu, L. J. Hazard. Mater. 2021, 413, 125285. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.125285

    30. [30]

      Guan, S.; Huang, Q.; Ma, J.; Li, W.; Ogunbiyi, A. T.; Zhou, Z.; Chen, K.; Zhang, Q. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 59, 596. doi: 10.1021/acs.iecr.9b05191

    31. [31]

      Huang, Y.; Handoko, A. D.; Hirunsit, P.; Yeo, B. S. ACS Catal. 2017, 7, 1749. doi: 10.1021/acscatal.6b03147

    32. [32]

      Sandberg, R. B.; Montoya, J. H.; Chan, K.; Nørskov, J. K. Surf. Sci. 2016, 654, 56. doi: 10.1016/j.susc.2016.08.006

    33. [33]

      Ren, D.; Fong, J.; Yeo, B. S. Nat. Commun. 2018, 9, 925. doi: 10.1038/s41467-018-03286-w

    34. [34]

      Hu, X.; Hval, H. H.; Bjerglund, E. T.; Dalgaard, K. J.; Madsen, M. R.; Pohl, M. -M.; Welter, E.; Lamagni, P.; Buh, K. B.; Bremholm, M.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 6255. doi: 10.1021/acscatal.8b01022

    35. [35]

      Chen, Y.; Li, C. W.; Kanan, M. W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19969. doi: 10.1021/ja309317u

    36. [36]

      Liu, M.; Pang, Y.; Zhang, B.; De Luna, P.; Voznyy, O.; Xu, J.; Zheng, X.; Dinh, C. T.; Fan, F.; Cao, C.; et al. Nature 2016, 537, 382. doi: 10.1038/nature19060

    37. [37]

      Wang, J.; Li, J.; Jiang, C.; Zhou, P.; Zhang, P.; Yu, J. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 204, 147. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.11.036

    38. [38]

      Montoya, J. H.; Shi, C.; Chan, K.; Norskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2032. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00722

    39. [39]

      Jin, L.; Seifitokaldani, A. Catalysts 2020, 10, 481. doi: 10.3390/catal10050481

    40. [40]

      Rong, S.; He, T.; Zhang, P. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 267, 118375. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118375

    41. [41]

      Hasanzadeh, M.; Khalilzadeh, B.; Shadjou, N.; Karim-Nezhad, G.; Saghatforoush, L.; Kazeman, I.; Abnosi, M. H. Electroanalysis 2010, 22, 168. doi: 10.1002/elan.200900294

    42. [42]

      Li, Y.; Wei, X.; Han, S.; Chen, L.; Shi, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21464-21472. doi: 10.1002/anie.202107510

    43. [43]

      Smith, P. F.; Deibert, B. J.; Kaushik, S.; Gardner, G.; Hwang, S.; Wang, H.; Al-Sharab, J. F.; Garfunkel, E.; Fabris, L.; Li, J.; Dismukes, G. C. ACS Catal. 2016, 6, 2089. doi: 10.1021/acscatal.6b00099

    44. [44]

      Ji, J.; Lu, X.; Chen, C.; He, M.; Huang, H. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 260, 118210. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118210

    45. [45]

      Cho, K. H.; Park, S.; Seo, H.; Choi, S.; Lee, M. Y.; Ko, C.; Nam, K. T. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4673. doi: 10.1002/anie.202014551

    46. [46]

      Subbaraman, R.; Tripkovic, D.; Chang, K. C.; Strmcnik, D.; Paulikas, A. P.; Hirunsit, P.; Chan, M.; Greeley, J.; Stamenkovic, V.; Markovic, N. M. Nat. Mater. 2012, 11, 550. doi: 10.1038/nmat3313

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  289
  • HTML全文浏览量:  6
文章相关
  • 发布日期:  2024-05-15
  • 收稿日期:  2023-05-15
  • 接受日期:  2023-05-27
  • 修回日期:  2023-05-27
  • 网络出版日期:  2023-06-25
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

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章