陈为/魏伟ACS Energy Letters:铜电极中引入B,实现安培级CO2电还原为乙醇

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可再生电力驱动的CO2电催化还原反应(eCO2RR)将CO2转化为有价值的化学物和碳基燃料,是实现碳中和和储存剩余电能的潜在途径。在Cu基催化剂上,CO2能够电催化转化为多碳(C2+)产物(如气态乙烯和液态乙醇)。与乙烯相比,乙醇具有能量密度高(26.8 MJ kg−1)、易于储存和运输等优点,因此引起了研究人员的极大兴趣。

同时,乙烯和乙醇共享一个关键的分支中间体(即*CH2CHO):断裂*CH2CHO的C-O键可以得到乙烯,*CH2CHO进一步加氢可以得到乙醇。因此,想要提高eCO2RR产物中乙醇的选择性,需要开发合适策略来促进*CH2CHO的形成和加氢,并抑制*CH2CHO中C-O键的断裂。

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近日,中国科学院上海高等研究院陈为魏伟等报道了一种具有微/纳米结构鳞片状外层的硼掺杂铜高效电催化剂(B-Cu HPE),其外层由金属Cu和B组成,用于选择性电催化CO2转化为乙醇。

实验结果表明,在3.0 M KCl中,B-Cu HPE能够高选择性地将CO2转化为乙醇,其中乙醇部分电流密度高达1.25 A cm-2,法拉第效率(FE)为52.4%,产率为3.87 mmol cm-2 h-1;并且B-Cu HPE能够在2.4 A cm-2电流密度下连续稳定电解150个小时,在此过程中乙醇的法拉第效率(FE)在52%~47%之间波动。

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原位红外光谱和理论计算表明,B掺杂在Cu HPE表面诱导电子局域化,增加了两个相邻Cu原子之间的Cu-Cu距离,并通过从相邻Cu原子中吸电子形成中等氧化态Cuδ+(δ=0.47)物种,优化了配位数(CN= 4.9);B-Cu HPE表面Cu原子适中的氧化态和配位数有利于*COatop的形成,从而引发不对称的*COatop和*CHO中间体C-C偶联,实现乙烯选择性转化为乙醇。

总的来说,该研究证明了Cu基电催化剂上的部分正价Cu(Cuδ+)位点对C-C偶联形成C2+产物的重要作用,为设计更高效的电催化剂以实现安培级CO2转化为C2+提供了新策略。

Ampere-level CO2-to-ethanol conversion via boron-incorporated copper electrodes. ACS Energy Letters, 2023. DOI: /10.1021/acsenergylett.3c01901



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