...进展:原位双掺杂构筑高效电催化剂还原CO2制备甲醇

发布网友 发布时间：2024-10-24 02:51

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热心网友 时间：2024-11-07 22:03

二氧化碳电化学转化技术在大规模减排二氧化碳方面具有巨大潜力，近年来备受瞩目。然而，如何在高电流密度下高效地将二氧化碳还原为单一产物，一直是科研领域的挑战。在二氧化碳还原生成的各种产物中，甲醇作为一种具有经济价值的液体燃料和化工原料，其电催化法拉第效率普遍低于50%，电流密度小于50 mA cm-2，制备高选择性、高效稳定的电催化剂仍然是一个巨大的挑战。

韩布兴院士和朱庆宫研究员团队在Nature Communications上发表的研究文章《In situ dual doping for constructing efficient CO2-to-methanol electrocatalysts》，揭示了一种原位双掺杂策略构建高效二氧化碳制甲醇电催化剂的新方法。通过双掺杂在氧化亚铜/铜界面材料中引入晶格应变和配位效应，调控催化剂表面的电子结构，优化了反应中间体与活性位点的相互作用，显著提高了二氧化碳电还原的活性以及目标产物甲醇的选择性。

研究中，团队采用Cu2O/Cu作为主体结构，通过掺杂各种阳离子（如Ag、Au、Zn、Cd）和阴离子（如S、Se、I）形成双掺杂结构。以Ag,S双掺杂为例，最终能够在泡沫铜上得到多孔纳米网络结构材料，其中阴离子S在多孔纳米网络结构的形成中起着关键作用。该方法在离子液体和水的电解液中实现了甲醇的法拉第效率达到67.4%，电流密度达到122.7 mA/cm2，最优条件下，Ag,S-Cu2O/Cu电极上的甲醇产率可达0.52 mmol h-1 cm-2，且活性在24小时内几乎不衰减。

此外，不同掺杂元素对催化活性的影响规律也得到揭示。研究发现，相对于S掺杂，Se或I掺杂表现出较差的甲醇选择性。理论研究表明，掺杂对催化性能与催化活性之间的关系呈火山曲线。当差值接近0.65 eV左右时，甲醇的法拉第效率在Ag,S-Cu2O/Cu上达到最大值，代表CO2制甲醇的最高催化活性。而其他掺杂催化剂的活性则位于火山曲线的两侧，活性较低。阴离子对反应能垒高低的影响顺序为SAu>Cd>Zn。

通过原位双掺杂策略，研究团队在Ag,S-Cu2O/Cu电催化剂上实现了CO2还原为甲醇的高效、高选择性转化。这一方法对于设计高效稳定的CO2制甲醇催化剂具有广阔的应用前景，推动了二氧化碳电化学转化领域的进步。