Nat. Commun.: 原位表征加计算，揭示碱阳离子对Cu电催化剂的腐蚀

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-04 08:19

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电化学CO ₂ 还原反应(CO ₂ RR)为生产高价值化学品、缓解气候变化和化工业向可持续发展过渡提供了有前景的策略。在各种多相电催化剂中，铜(Cu)能以高速率生产多碳产物。以前研究的重点主要是为了提高Cu催化剂的活性和选择性，它们在反应条件下的稳定性同样重要，并已引起越来越多的注意。Cu催化剂在CO ₂ RR过程中的重构是一个广为人知的现象，但由于Cu易被氧化，研究Cu的重构在一定程度上具有挑战性。最近，许多原位表征技术用于研究Cu催化剂的重构。然而，一些潜在的原因和这种现象对催化剂稳定性的影响仍然难以捉摸。

基于此， 新加坡国立大学何迁 、 Pieremanuele Canepa 、汪磊和 新加坡科技研究局席识博 等利用IL-TEM、CV等表征技术结合理论计算，研究了在CO ₂ RR反应条件下Cu纳米粒子的结构演变，证实存在碱-阳离子诱导的阴极腐蚀。这种在Cu中的腐蚀行为并不一定影响CO ₂ RR的稳定运行，但是会限制形态控制的Cu预催化剂的选择性和活性增强。根据实验结果，可以合理地推测，在去除表面氧化物之后，一旦金属Cu暴露于电解液中，这种腐蚀就会开始，尽管氧化物的厚度和因此而产生的时间可能因颗粒的不同而略有不同。

原位XAFS结果表明，在典型的反应条件下，15分钟内会除去氧化层，这与报道40nm Cu ₂ O在10分钟内完成还原一致。由于这种腐蚀行为，纳米Cu催化剂可能未发挥出全部潜力。此外，结果表明，在不引起碱性阳离子诱导阴极腐蚀的条件下，Cu纳米立方体相对于Cu纳米粒子具有稳定的选择性优势。总的来说，未来的研究还应解决许多有关Cu阴极腐蚀的遗留问题，包括: 能否通过改变反应条件来调节起始电位？是否有其他方法来控制甚至利用Cu的阴极腐蚀？

Alkali cation-induced cathodic corrosion in Cu electrocatalysts. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49492-7

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