天津大学刘乐全Nature子刊:氧空位工程改善羟基吸附促进水分解,实现太阳能驱动的高效CO2RR

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电化学CO2还原(CO2RR)与可再生能源发电相结合被认为是碳捕获、利用和储存(CCUS)技术中一个关键的步骤。同时,在CO2RR产品中,高能量密度甲酸酯被认为是最具成本效益和商业效益的产品。为了实现工业化目标,开发高效、高选择性的CO2RR催化剂是必不可少的。尽管人们付出了巨大的努力,但催化剂的性能仍然不能令人满意。因此,制定合理有效的策略来设计高效的电催化剂和了解CO2RR反应路径至关重要。


基于此,天津大学刘乐全课题组利用氧空位工程,通过加速Bi2O2CO3(BOC)催化剂上的水解离来促进CO2RR转化为甲酸酯。
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选择Bi2O2CO3(BOC)是基于以下两个考虑:
1.具有丰富的Bi-O键可用于氧空位工程,以促进CO2RR中的水分解;
2.BOC中的碳酸盐物种有利于在同位素标记的帮助下弄清CO3*是否参与CO2RR过程。
性能测试实验结果表明,最优的BOC-2的甲酸酯法拉第效率达94%,部分电流密度为32.5 mA cm−2;在流动池中,该催化剂在200 mA cm−2条件下的甲酸盐产率可达3.0 mmol h−1
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此外,动力学实验和密度泛函理论(DFT)计算表明,缓慢的水解以产生质子源阻碍了甲酸盐的生成;氧空位的引入通过强化羟基吸附而显著地促进了水分解,从而减少了甲酸盐形成的ΔμOH-w和能垒。此外,利用电子顺磁共振(EPR)试验和拉曼光谱学同位素标记的原位研究,证实CO3*(CO2吸附在氧位点)在CO2RR过程作为关键的表面物种。
最后,研究人员构建了太阳能电池驱动的全电池电催化体系,其中STF达到13.3%。总的来说,该项工作通过对CO2RR反应过程和水分解效应的全面研究,为今后提高催化剂的CO2RR活性提供更有效的策略。
Promoting Water Dissociation for Efficient Solar Driven CO2 Electroreduction via Improving Hydroxyl Adsorption. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-36263-z




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