超穩(wěn)定原子級(jí)銅納米片選擇性電化學(xué)還原二氧化

瀏覽次數(shù)： 342 發(fā)布時(shí)間：2017-09-12 08:53:33 發(fā)布人：editor

　　合成氣作為一種由氫氣和一氧化碳混合的混合物對(duì)于大規(guī)模化學(xué)工業(yè)是一種非常重要的原材料。目前，合成氣主要通過(guò)常規(guī)方法從碳?xì)湓?天然氣，石油，生物質(zhì))中生產(chǎn)。但是，常規(guī)方法通常需要在催化劑的輔助下高溫工作。隨著能源產(chǎn)品的需求日益增長(zhǎng)但同時(shí)降低環(huán)境影響，研究人員采用可再生能源生產(chǎn)的電在室溫下將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為合成氣，同時(shí)這項(xiàng)研究近年來(lái)引起了廣泛的關(guān)注。

　　在最近幾十年，研究人員在尋找用于二氧化碳電還原為多種燃料和化學(xué)物質(zhì)的廉價(jià)催化劑方面取得了重大的研究進(jìn)展。研究人員研究了很多不同類型的有前景的催化劑，包括基于分子金屬絡(luò)合物的均相催化，基于金屬有機(jī)骨架的異相催化，以及許多像AuCu納米粒子，Au納米粒子，納米多孔Ag，Co/Co3O4雜化納米片，Cu納米粒子/納米線，納米結(jié)構(gòu)的Sn，過(guò)渡金屬硫化物等納米材料。在這些催化劑中，考慮到自然儲(chǔ)備豐富的問(wèn)題，對(duì)于制備廉價(jià)的二氧化碳電催化還原催化劑，Cu成為了一種最具有潛力的元素。Cu基均相催化劑和異相催化劑能夠生產(chǎn)出多種產(chǎn)品，例如CO，甲酸，CH3OH, CH4,以及C2+物質(zhì)。但是，不像貴金屬催化劑(Au，Ag)，Cu納米催化劑的產(chǎn)物選擇性通常很差而且催化劑依賴于粒子的尺寸，形狀，以及表面修飾。此外，通常Cu(0)納米材料在空氣中極易氧化，而且在降低電勢(shì)的同時(shí)氧化銅也容易還原為Cu(0)。因此，Cu催化劑電還原二氧化碳所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物多樣也就不驚奇了。

　　【成果簡(jiǎn)介】

　　近日，來(lái)自廈門大學(xué)的鄭南峰教授(通訊作者)等人在Science Advances上發(fā)文，題為：“Ultrastable atomic copper nanosheets for selective electrochemical reduction of carbon dioxide”。研究人員采用了一種簡(jiǎn)便的方法來(lái)制備超薄Cu/Ni(OH)2納米片作為廉價(jià)的催化劑并用于在低電勢(shì)下電化學(xué)轉(zhuǎn)化二氧化碳和水為合成氣。這些富集Cu(0)的雜化納米片表面展現(xiàn)出像貴金屬納米催化劑一樣的空氣中穩(wěn)定性以及催化性能。獨(dú)特的是，納米片中的Cu(0)因?yàn)楸砻娲嬖诩姿猁}，所以能夠在空氣中穩(wěn)定存在數(shù)月。隨著原子級(jí)別超穩(wěn)定的Cu納米片的存在，雜化Cu/Ni(OH)2納米片電還原二氧化碳為一氧化碳的過(guò)程中展現(xiàn)了出色的活性以及選擇性。在0.39V的低過(guò)電位下，納米片提供了4.3 mA/cm2的電流，同時(shí)CO的法拉第效率達(dá)到了90%。經(jīng)過(guò)22小時(shí)的測(cè)試后，電流并沒(méi)有出現(xiàn)衰減。在這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的催化劑很有希望建造低成本的二氧化碳電解裝置來(lái)生產(chǎn)一氧化碳。

　　【圖文導(dǎo)讀】

　　圖1. 雜化Cu/Ni(OH)2納米片的微觀特性

　　(A) 低倍率TEM圖。插圖：納米片分散在乙醇的照片;

　　(B) 通過(guò)顯微切片技術(shù)得到的納米片界面TEM圖;

　　(D) 單個(gè)納米片的HRTEM圖。

　　圖2. 雜化Cu/Ni(OH)2納米片結(jié)構(gòu)特性

　　(A)雜化Cu/Ni(OH)2納米片的XRD圖;

　　(B-E) Cu/Ni(OH)2的Ni K-edge (B和C)以及Cu K-edge (D和E)的XANES和EXAFS擬合圖譜;

　　(F)不同探測(cè)深度的納米片的HS-LEISS圖譜。

　　圖3. 雜化Cu/Ni(OH)2納米片合成機(jī)制

　　藍(lán)綠色, Cu; 綠色, Ni; 紅色, O; 灰色, C; 白色, H。

　　圖4. Cu/Ni(OH)2納米片在空氣中的穩(wěn)定性以及表面研究

　　(A) Cu/Ni(OH)2納米片在室溫下空氣中存放90天后的TEM圖;

　　(B) Cu/Ni(OH)2納米片在室溫下空氣中存放7到90天的XRD圖;

　　(D)納米片的FTIR圖;

　　(E)在Cu上甲酸的吸附模型。

　　圖5. Cu/Ni(OH)2納米片二氧化碳電還原的催化性能

　　(A) 在飽和氮?dú)舛趸?.5M NaHCO3溶液中電催化劑電極表面面積的標(biāo)準(zhǔn)極化曲線;掃速：0 mV/s;

　　(B) CO和H2在不同電勢(shì)下的FEs;

　　【小結(jié)】

　　研究人員采用了一種獨(dú)特的合成方法來(lái)制備了超薄雜化Cu/Ni(OH)2納米片。采用一系列分析方法來(lái)研究制備，結(jié)構(gòu)以及合成機(jī)制，穩(wěn)定性，和能量轉(zhuǎn)化中Cu基超薄納米片的催化特性. 加之Cu (111)是主要暴露的晶面，通過(guò)甲酸阻止氧化來(lái)提高Cu納米片的穩(wěn)定性也解釋了為什么CO在Cu/Ni(OH)2納米片上電化學(xué)還原二氧化碳過(guò)程中被轉(zhuǎn)化，同時(shí)讓這些在空氣中穩(wěn)定的Cu納米片展現(xiàn)了和Au，Ag電還原二氧化碳一樣的性質(zhì)。隨著只有CO產(chǎn)出，雜化Cu/Ni(OH)2納米片為合成可調(diào)合成氣的電化學(xué)產(chǎn)物提供了一個(gè)理想的電催化劑。在這項(xiàng)工作中開(kāi)發(fā)的催化劑很有希望建造低成本的二氧化碳電解裝置來(lái)生產(chǎn)一氧化碳。

　　文獻(xiàn)鏈接：Ultrastable atomic copper nanosheets for selective electrochemical reduction of carbon dioxide (Science Advances, 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701069)