【解读】Appl. Catal. B：调变Cu/SiO2核壳催化剂Cu分散度调节CO2RR中C1和C2产物的选择性

科学温故社 · 公众号 · · 2024-04-29 10:43

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近日，课题组在 Applied Catalysis B: Environment and Energy 上发表了题为“ Fine-tuning copper dispersion in Cu/SiO ₂ core-shell particles regulates electrochemical CO ₂ reduction product selectivity ”的研究论文。 文章的第一作者为2021级硕士生张恬影与2023级博士生金亚鑫，通讯作者为张生教授和Lou Shi Nee（罗诗妮）副教授 。

背景介绍

可再生电力驱动的电化学CO ₂ 还原反应（CO ₂ RR）为减少碳排放和二氧化碳利用提供了一种很有前景的途径。然而，其反应过程复杂，面临着产品范围广泛的挑战。虽然一氧化碳或甲酸盐的生产可以同时具有高选择性和高电流密度，但其他需要转移两个以上电子生产过程的产品仍难以达到令人满意的选择性，阻碍了其工业化生产。

研究工作

本工作首次研究了Cu-Si核壳颗粒催化剂上水解离的加氢效应，以及合理的铜分散度调控策略以调节CO ₂ RR中C ₁ 和C ₂ 产物的选择性。结合密度泛函理论（DFT）计算和光谱分析，发现Cu的分散度影响了Cu在SiO ₂ 上的覆盖以及Cu-O-Si界面位点的暴露，从而促进CO ₂ RR和水的解离。Cu分散度适中的Cu _0.05 Si催化剂上有利于形成*CH _x O中间体, 促进了CO ₂ 的电甲烷化，甲烷的法拉第效率可达72.9 %。而Cu分散度较低的Cu ₁ Si催化剂更有利于形成*OCCHO，进而生成C ₂ H ₄ 。此外，最优铜分散的Cu _0.05 Si上具有更多暴露的Cu-O-Si界面位点，促进了水解离，为甲烷的生成提供了更多的质子。上述的研究为Cu-O-Si界面和Cu-Si核壳颗粒催化剂上的*CO氢化或C-C耦合提供了新的见解。

图1. (a) Cu _0.05 Si和(b) Cu ₁ Si在CO ₂ 饱和0.1 M KHCO ₃ 中的原位ATR-FTIR；(c) 不同Cu分散度的Cu _x Si催化剂上CO ₂ RR到CH ₄ 或C ₂ H ₄ 反应机理示意图

图2. (a) H ₂ O在CuO、Cu _0.05 Si和Cu ₁ Si上解离的吉布斯自由能；(b) H ₂ O在CuO、Cu _0.05 Si和Cu ₁ Si上的吸附解离构型，颜色分别代表Cu(粉色)、Si(黄色)、O(红色)、H(白色)；(c) CuO, CuO、Cu _0.05 Si和Cu ₁ Si上的O _w 2p PDOS，黑线：p带中心。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124065

图文｜ 张恬影

编辑｜ 许一寒

审核 | 李卓师

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