在酸性電解質(zhì)中電催化二氧化碳還原反應(yīng)（CO
2RR）生成多碳產(chǎn)物（C
2+）是解決當(dāng)前氣候和能源危機(jī)的最先進(jìn)途徑之一。然而，競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)（HER）和對(duì)有價(jià)值的C
2+產(chǎn)物的選擇性差是這些技術(shù)升級(jí)的主要障礙。陰極表面局部高鉀離子 (K
+) 濃度可以抑制質(zhì)子擴(kuò)散并加速所需的碳-碳 (C-C) 偶聯(lián)過(guò)程。然而，鉀鹽在本體溶液中的溶解度限制限制了反應(yīng)位點(diǎn)可達(dá)到的最大 K
+ 濃度，從而限制了大多數(shù)電催化劑的整體酸性 CO
2RR 性能。在這項(xiàng)工作中，我們證明 Cu 納米針誘導(dǎo)超高局部 K
+ 濃度 (4.22 M)，從而打破 K
+ 溶解度極限 (3.5 M)，從而在 pH=1 的 3 M KCl 中實(shí)現(xiàn)高效的 CO
2RR。因此，在 1400 mA cm
-2 下，C
2+ (FE
C2+) 的法拉第效率可達(dá) 90.69±2.15%，同時(shí) CO
2 流量為 7 時(shí)單程碳效率 (SPCE) 為 25.49±0.82% SCCM。
Fig 1. 通過(guò) COMSOL 模擬研究催化劑的表面微環(huán)境。 (a) CuNN 表面附近的電場(chǎng)分布。 (b) 3 M KCl 中 CuNN 表面的 K
+ 濃度分布。白色表示不存在 K
+ 離子。 (c) 不同 K
+ 濃度的本體電解質(zhì)中 CuNN 和 Cu 膜的表面吸附 K
+ 濃度。虛線是K
+濃度極限。 (d) 不同 K
+ 濃度的本體電解質(zhì)中催化劑表面附近 OH
- 的濃度分布.
Fig 2. (a) CuNN 合成過(guò)程的示意圖。 (b) PTFE 基底上的 CuNN、CuNP 和 Cu 薄膜的 XRD 圖案。 (c-e) 分別為 Cu 薄膜、CuNP 和 CuNN 的 SEM 圖像。 (f) CuNN 的 TEM 圖像。 (g) 來(lái)自 CuNN 的單個(gè)納米針的 HAADF-STEM 圖像。
Fig 3. (a) 使用離子色譜 (IC) 測(cè)定電極表面吸附 K
+ 濃度的示意圖。 (b) 不同 K
+ 本體濃度下 Cu 膜、CuNP 和 CuNN 上吸附 K
+ 濃度的比較。 (c–e) 在不同施加電位和不同 K
+ 體積濃度下在 CuNN 上獲得的原位衰減全反射 FTIR 光譜：(c) 1 M KCl、(d) 2 M KCl 和 (e) 3 M KCl（電位 vs .Ag/AgCl)。
Fig 4. (a) CuNN、(b) CuNP 和 (c) Cu 薄膜在不同電流密度下獲得的 CO
2RR 產(chǎn)物分布。 (d) 在不同 K
+ 濃度的本體電解質(zhì)中，不同施加電壓下 C
2+ 的電流密度。 (e) 使用不同 CO
2 氣體流速在 800 mA cm
-2 下獲得的 CuNN 的 C
2+ 產(chǎn)品的 FE 和 SPCE。 (f) FE
C2+、FE
C1、FE
H2、C
2+ 的電流密度以及本體 pH 值與其他報(bào)道的 CO
2RR 系統(tǒng)的比較。
相關(guān)研究工作由慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortes和中南大學(xué)Min Liu、Junwei Fu課題組于2023年在線聯(lián)合發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊上，原文：Breaking K
+ Concentration Limit on Cu Nanoneedles for Acidic Electrocatalytic CO
2 Reduction to Multi-Carbon Products。
https://doi.org/10.1002/anie.202309351
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
