胺功能化的铜催化剂:氢键介导的电化学CO2还原为C2产物以及优越的可充电Zn-CO2电池性能

项东 李坤振 苗康华 龙冉 熊宇杰 康雄武

引用本文: 项东, 李坤振, 苗康华, 龙冉, 熊宇杰, 康雄武. 胺功能化的铜催化剂:氢键介导的电化学CO2还原为C2产物以及优越的可充电Zn-CO2电池性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(8): 230802. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308027 shu
Citation:  Dong Xiang, Kunzhen Li, Kanghua Miao, Ran Long, Yujie Xiong, Xiongwu Kang. Amine-Functionalized Copper Catalysts: Hydrogen Bonding Mediated Electrochemical CO2 Reduction to C2 Products and Superior Rechargeable Zn-CO2 Battery Performance[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(8): 230802. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308027 shu

胺功能化的铜催化剂:氢键介导的电化学CO2还原为C2产物以及优越的可充电Zn-CO2电池性能

    通讯作者: 熊宇杰, yjxiong@ustc.edu.cn; 康雄武, esxkang@scut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 U2032151

    国家自然科学基金 21725102

    国家自然科学基金 91961106

摘要: 有机分子功能化是一种有前景的策略,用于调控电化学CO2还原反应(eCO2RR)的C2+产物选择性和活性。然而,我们对于电化学CO2还原调控机制的分子水平理解仍然不够清晰。在本文中,我们成功制备了铜纳米颗粒,并使用一系列胺类衍生物(如十六胺(HAD)、N-甲基十六胺(N-MHDA)、十六烷基二甲胺(HDDMA)和十六酰胺(PMM))对其进行功能化,以系统地研究胺表面活性剂分子结构对eCO2RR选择性和活性的影响。结果表明,HDA的功能化可以将C2产物和C2H4的法拉第效率(FE)提高至73.5%和46.4%,并且在−0.9 Ⅴ vs. RHE (可逆氢电极)电位下,C2产物的分电流密度为131.4 mA·cm−2。理论研究发现,HDA通过与CO2和eCO2RR中间体之间的氢键相互作用,富集了*CO2、*CO和其他反应中间体,降低了CO―CHO耦合反应的动力学能垒,从而促进了eCO2RR向C2产物的转化。当胺基的H原子被甲基取代后,氢键相互作用减弱,竞争的析氢反应加剧。PMM通过Cu―O键与Cu表面发生键合,而不是通过Cu―N键,导致Cu-PMM更倾向于产乙醇。原位拉曼光谱显示,在Cu-HDA表面,CO主要吸附在Cu的顶位吸附位点上,与在Cu表面上的桥式吸附不同,这可能是因为前者表面对CO的富集引发了CO的吸附构型变化。HDA功能化还提高了Cu催化剂的表面pH。基于Cu-HDA组装的可充电Zn-CO2电池在放电电流密度为16 mA∙cm–2时,最大功率密度为6.48 mW∙cm−2,并具有长达60 h的良好充放电稳定性。本研究的重点在于通过在分子水平上调节Cu基材料的CO2RR活性和选择性,促进CO2-C2的转化,这可能为提高C2产物的产率提供新的见解。

English

    1. [1]

      Hepburn, C.; Adlen, E.; Beddington, J.; Carter, E. A.; Fuss, S.; Mac Dowell, N.; Minx, J. C.; Smith, P.; Williams, C. K. Nature 2019, 575, 87. doi: 10.1038/s41586-019-1681-6

    2. [2]

      McGinnis, R. Joule 2020, 4, 509. doi: 10.1016/j.joule.2020.01.002

    3. [3]

      Wang, J.; Zou, J.; Hu, X.; Ning, S.; Wang, X.; Kang, X.; Chen, S. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 27514. doi: 10.1039/c9ta11140a

    4. [4]

      Chen, K.; Cao, M.; Ni, G.; Chen, S.; Liao, H.; Zhu, L.; Li, H.; Fu, J.; Hu, J.; Cortés, E.; et al. Appl. Catal. B 2022, 306, 121093. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121093

    5. [5]

      Chen, K.; Cao, M.; Lin, Y.; Fu, J.; Liao, H.; Zhou, Y.; Li, H.; Qiu, X.; Hu, J.; Zheng, X.; et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2111322. doi: 10.1002/adfm.202111322

    6. [6]

      Peng, C.; Yang, S.; Luo, G.; Yan, S.; Shakouri, M.; Zhang, J.; Chen, Y.; Li, W.; Wang, Z.; Sham, T K.; et al. Adv. Mater. 2022, 34, e2204476. Doi: 10.1002/adma.202204476

    7. [7]

      Xiang, D.; Li, K.; Li, M.; Long, R.; Xiong, Y.; Yakhvarov, D.; Kang, X. Mater. Today Phys. 2023, 33, 101045. doi: 10.1016/j.mtphys.2023.101045

    8. [8]

      Wang, H. Nano Res. 2021, 15, 2834. doi: 10.1007/s12274-021-3984-9

    9. [9]

      Zang, D.; Gao, X. J.; Li, L.; Wei, Y.; Wang, H. Nano Res. 2022, 15, 8872. doi: 10.1007/s12274-022-4698-3

    10. [10]

      Wang, Q.; Liu, K.; Hu, K.; Cai, C.; Li, H.; Li, H.; Herran, M.; Lu, Y. -R.; Chan, T. -S.; Ma, C.; et al. Nat. Commun. 2022, 13, 6082. doi: 10.1038/s41467-022-33692-0

    11. [11]

      Chen, S.; Li, X.; Kao, C. W.; Luo, T.; Chen, K.; Fu, J.; Ma, C.; Li, H.; Li, M.; Chan, T. S.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202206233. doi: 10.1002/anie.202206233

    12. [12]

      Wang, J.; Ning, S.; Luo, M.; Xiang, D.; Chen, W.; Kang, X.; Jiang, Z.; Chen, S. Appl. Catal. B 2021, 288, 119979. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.119979

    13. [13]

      Han, L.; Tian, B.; Gao, X.; Zhong, Y.; Wang, S.; Song, S.; Wang, Z.; Zhang, Y.; Kuang, Y.; Sun, X. SmartMat 2022, 3, 142. doi: 10.1002/smm2.1082

    14. [14]

      Wang, Q.; Liu, K.; Fu, J.; Cai, C.; Li, H.; Long, Y.; Chen, S.; Liu, B.; Li, H.; Li, W.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25241. doi: 10.1002/anie.202109329

    15. [15]

      Wang, Y.; Liu, J.; Zheng, G. Adv. Mater. 2021, 33, e2005798. doi: 10.1002/adma.202005798

    16. [16]

      Yang, D.; Wang, X. SmartMat 2022, 3, 54. doi: 10.1002/smm2.1102

    17. [17]

      Zhou, Y.; Che, F.; Liu, M.; Zou, C.; Liang, Z.; De Luna, P.; Yuan, H.; Li, J.; Wang, Z.; Xie, H.; et al. Nat. Chem. 2018, 10, 974. doi: 10.1038/s41557-018-0092-x

    18. [18]

      Li, Y. C.; Wang, Z.; Yuan, T.; Nam, D. H.; Luo, M.; Wicks, J.; Chen, B.; Li, J.; Li, F.; de Arquer, F. P. G.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8584. doi: 10.1021/jacs.9b02945

    19. [19]

      He, C.; Duan, D.; Low, J.; Bai, Y.; Jiang, Y.; Wang, X.; Chen, S.; Long, R.; Song, L.; Xiong, Y. Nano Res. 2023, 16, 4494. doi: 10.1007/s12274-021-3532-7

    20. [20]

      Wang, Y.; Han, P.; Lv, X.; Zhang, L.; Zheng, G. Joule 2018, 2, 2551. doi: 10.1016/j.joule.2018.09.021

    21. [21]

      Hahn, C.; Hatsukade, T.; Kim, Y. G.; Vailionis, A.; Baricuatro, J. H.; Higgins, D. C.; Nitopi, S. A.; Soriaga, M. P.; Jaramillo, T. F. Proc. Natl. Acad. Sci. 2017, 114, 5918. doi: 10.1073/pnas.1618935114

    22. [22]

      Zhu, C.; Zhang, Z.; Zhong, L.; Zhao, S.; Shi, G.; Wu, B.; Gu, H.; Wu, J.; Gao, X.; Liu, K.; et al. J. Energy Chem. 2022, 70, 382. doi: 10.1016/j.jechem.2022.02.027

    23. [23]

      Zhou, Y.; Liang, Y.; Fu, J.; Liu, K.; Chen, Q.; Wang, X.; Li, H.; Zhu, L.; Hu, J.; Pan, H.; et al. Nano Lett. 2022, 22, 1963. doi: 10.1021/acs.nanolett.1c04653

    24. [24]

      Yang, B.; Liu, K.; Li, H.; Liu, C.; Fu, J.; Li, H.; Huang, J. E.; Ou, P.; Alkayyali, T.; Cai, C.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3039. doi: 10.1021/jacs.1c11253

    25. [25]

      Li, F.; Thevenon, A.; Rosas-Hernandez, A.; Wang, Z.; Li, Y.; Gabardo, C. M.; Ozden, A.; Dinh, C. T.; Li, J.; Wang, Y.; et al. Nature 2020, 577, 509. doi: 10.1038/s41586-019-1782-2

    26. [26]

      Chen, X.; Chen, J.; Alghoraibi, N. M.; Henckel, D. A.; Zhang, R.; Nwabara, U. O.; Madsen, K. E.; Kenis, P. J. A.; Zimmerman, S. C.; Gewirth, A. A. Nat. Catal. 2020, 4, 20. doi: 10.1038/s41929-020-00547-0

    27. [27]

      Lin, J.; Zhou, Y.; Wen, J.; Si, W.; Gao, H.; Wang, G.; Kang, X. J. Energy Chem. 2022, 75, 164. doi: 10.1016/j.jechem.2022.08.014

    28. [28]

      Li, F.; Li, Y. C.; Wang, Z.; Li, J.; Nam, D. -H.; Lum, Y.; Luo, M.; Wang, X.; Ozden, A.; Hung, S. -F.; et al. Nat. Catal. 2019, 3, 75. doi: 10.1038/s41929-019-0383-7

    29. [29]

      Checco, A.; Hofmann, T.; DiMasi, E.; Black, C. T.; Ocko, B. M. Nano Lett. 2010, 10, 1354. doi: 10.1021/nl9042246

    30. [30]

      Wakerley, D.; Lamaison, S.; Ozanam, F.; Menguy, N.; Mercier, D.; Marcus, P.; Fontecave, M.; Mougel, V. Nat. Mater. 2019, 18, 1222. doi: 10.1038/s41563-019-0445-x

    31. [31]

      Xie, M. S.; Xia, B. Y.; Li, Y.; Yan, Y.; Yang, Y.; Sun, Q.; Chan, S. H.; Fisher, A.; Wang, X. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1687. doi: 10.1039/c5ee03694a

    32. [32]

      赵会玲, 胡军, 汪建军, 周丽绘, 刘洪来. 物理化学学报, 2007, 23, 801. doi: 10.1016/S1872-1508(07)60046-1Zhao, H.; Hu, J.; Wang, J.; Zhou, L.; Liu, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2007, 23, 801. doi: 10.1016/S1872-1508(07)60046-1

    33. [33]

      Zhao, Y.; Wang, C.; Liu, Y.; MacFarlane, D. R.; Wallace, G. G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801400. doi: 10.1002/aenm.201801400

    34. [34]

      Wei, X.; Yin, Z.; Lyu, K.; Li, Z.; Gong, J.; Wang, G.; Xiao, L.; Lu, J.; Zhuang, L. ACS Catal. 2020, 10, 4103. doi: 10.1021/acscatal.0c00049

    35. [35]

      Lyu, Z.; Zhu, S.; Xie, M.; Zhang, Y.; Chen, Z.; Chen, R.; Tian, M.; Chi, M.; Shao, M.; Xia, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1909. doi: 10.1002/anie.202011956

    36. [36]

      Xie, Y.; Chen, Y. J. Mater. Sci. 2021, 56, 10135. doi: 10.1007/s10853-021-05920-3

    37. [37]

      Nitopi, S.; Bertheussen, E.; Scott, S. B.; Liu, X.; Engstfeld, A. K.; Horch, S.; Seger, B.; Stephens, I. E. L.; Chan, K.; Hahn, C.; et al. Chem. Rev. 2019, 119, 7610. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00705

    38. [38]

      Kim, J. -Y.; Hong, D.; Lee, J. -C.; Kim, H. G.; Lee, S.; Shin, S.; Kim, B.; Lee, H.; Kim, M.; Oh, J.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 3765. doi: 10.1038/s41467-021-24105-9

    39. [39]

      Todorova, T. K.; Schreiber, M. W.; Fontecave, M. ACS Catal. 2019, 10, 1754. doi: 10.1021/acscatal.9b04746

    40. [40]

      Li, H.; Li, Y.; Koper, M. T. M.; Calle-Vallejo, F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15694. doi: 10.1021/ja508649p

    41. [41]

      Kong, X.; Zhao, J.; Ke, J.; Wang, C.; Li, S.; Si, R.; Liu, B.; Zeng, J.; Geng, Z. Nano Lett. 2022, 22, 3801. doi: 10.1021/acs.nanolett.2c00945

    42. [42]

      Gao, J.; Zhang, H.; Guo, X.; Luo, J.; Zakeeruddin, S. M.; Ren, D.; Gratzel, M. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18704. doi: 10.1021/jacs.9b07415

    43. [43]

      Pan, Z.; Wang, K.; Ye, K.; Wang, Y.; Su, H. -Y.; Hu, B.; Xiao, J.; Yu, T.; Wang, Y.; Song, S. ACS Catal. 2020, 10, 3871. doi: 10.1021/acscatal.9b05115

    44. [44]

      Moradzaman, M.; Mul, G. ChemElectroChem 2021, 8, 1478. doi: 10.1002/celc.202001598

    45. [45]

      Zhang, G.; Zhao, Z. J.; Cheng, D.; Li, H.; Yu, J.; Wang, Q.; Gao, H.; Guo, J.; Wang, H.; Ozin, G. A.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 5745. doi: 10.1038/s41467-021-26053-w

    46. [46]

      Zhang, Z.; Melo, L.; Jansonius, R. P.; Habibzadeh, F.; Grant, E. R.; Berlinguette, C. P. ACS Energy Lett. 2020, 5, 3101. doi: 10.1021/acsenergylett.0c01606

    47. [47]

      Zhu, S.; Jiang, B.; Cai, W. B.; Shao, M. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15664. doi: 10.1021/jacs.7b10462

    48. [48]

      Jiang, S.; Klingan, K.; Pasquini, C.; Dau, H. J. Chem. Phys. 2019, 150, 041718. doi: 10.1063/1.5054109

    49. [49]

      Kaur, S.; Kumar, M.; Gupta, D.; Mohanty, P. P.; Das, T.; Chakraborty, S.; Ahuja, R.; Nagaiah, T. C. Nano Energy 2023, 109, 108242. doi: 10.1016/j.nanoen.2023.108242

    50. [50]

      Gong, S.; Wang, W.; Zhang, C.; Zhu, M.; Lu, R.; Ye, J.; Yang, H.; Wu, C.; Liu, J.; Rao, D.; et al. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110649. doi: 10.1002/adfm.202110649

    51. [51]

      Ni, W.; Liu, Z.; Zhang, Y.; Ma, C.; Deng, H.; Zhang, S.; Wang, S. Adv. Mater. 2021, 33, e2003238. doi: 10.1002/adma.202003238

    52. [52]

      Wang, F.; Wang, G.; Deng, P.; Chen, Y.; Li, J.; Wu, D.; Wang, Z.; Wang, C.; Hua, Y.; Tian, X. Small 2023, 19, e2301128. doi: 10.1002/smll.202301128

    53. [53]

      Zeng, Z.; Gan, L. Y.; Bin Yang, H.; Su, X.; Gao, J.; Liu, W.; Matsumoto, H.; Gong, J.; Zhang, J.; Cai, W.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 4088. doi: 10.1038/s41467-021-24052-5

    54. [54]

      Zheng, W.; Wang, Y.; Shuai, L.; Wang, X.; He, F.; Lei, C.; Li, Z.; Yang, B.; Lei, L.; Yuan, C.; et al. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008146. doi: 10.1002/adfm.202008146

    55. [55]

      Li, J.; Chen, L. -W.; Hao, Y. -C.; Yuan, M.; Lv, J.; Dong, A.; Li, S.; Gu, H.; Yin, A. -X.; Chen, W.; et al. Chem. Eng. J. 2023, 461, 141865. doi: 10.1016/j.cej.2023.141865

    56. [56]

      Xu, A.; Chen, X.; Wei, D.; Chu, B.; Yu, M.; Yin, X.; Xu, J. Small 2023, 19, 2302253. doi: 10.1002/smll.202302253

    57. [57]

      Gao, S.; Jin, M.; Sun, J.; Liu, X.; Zhang, S.; Li, H.; Luo, J.; Sun, X. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 21024. doi: 10.1039/D1TA04360A

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  272
  • HTML全文浏览量:  17
文章相关
  • 发布日期:  2024-08-15
  • 收稿日期:  2023-08-15
  • 接受日期:  2023-09-28
  • 修回日期:  2023-09-20
  • 网络出版日期:  2023-10-09
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