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我校研究團隊在電催化CO2還原領域取得最新研究成果
發布人:朱玥樺  發布時間:2021-03-05   瀏覽次數:10

近日,東華大學環境科學與工程學院喬錦麗教授團隊在電催化CO2還原領域取得重要進展,相關成果以“一步實現Bi-Cu分層生長雙金屬催化電極耦合堿性陰離子交換膜高效電催化CO2產甲酸”(Separated Growth of Bi-Cu Bimetallic Electrocatalysts on Defective Copper Foam for Highly Converting CO2 to Formate with Alkaline Anion-exchange Membrane beyond KHCO3 Electrolyte)為題發表在國際環境領域期刊《應用催化B-環境》(Applied Catalysis B:  Environmental)上。該論文第一作者為環境科學與工程學院博士生彭蘆葦。

研究人員采用共沉積法一步將Bi和Cu金屬負載于缺陷泡沫銅上,且利用雙金屬共沉積電勢的不同,得到類分層的Bi-Cu雙金屬催化電極,該電極表現出Bi和Cu雙金屬的協調效應,因此可以高效電催化CO2產甲酸,此外電解質及離子交換膜的影響也被考慮其中。

(Bi-Cu雙金屬催化電極的制備流程圖及催化CO2機理圖)

CO2電化學還原成高附加值的燃料和化學品被認為是緩解環境問題(全球變暖和氣候變化)和儲存間歇性可再生能源(風能和太陽能)的有效途徑。然而,從技術和經濟角度將二氧化碳直接轉化為碳氫化合物需要開發高選擇性,高活性和高穩定性的電催化劑。然而,大多數單金屬催化劑由于制備成本高、導電性差、選擇性低等問題,還遠遠不能滿足未來的實際應用。因此,如何開發具有高電流密度、高選擇性和高穩定性的CO2電催化劑,仍然是一個巨大的挑戰。二元或多元電催化的協同效應已經被證實可以加快特定的催化反應,因此合理調控二元催化的形貌和電子結構來實現雙金屬的協同效應,從而到達高效催化CO2的目的。因此本研究采用共沉積法成功一體化合成了Bi-Cu雙金屬催化電極,該電極的雙金屬協同效應和特殊的苔蘚狀結構有利于OCHO*中間體的吸附,因此可以高效催化CO2產甲酸。

本研究首先考察了生長基地對Bi-Cu雙金屬沉積的影響,發現帶有缺陷的泡沫銅生長基地,可以促進Bi-Cu生長層形成緊密的結構和加強生長層與生長基地聯系的作用。本研究還探討了Bi-Cu雙金屬的生長機理,巧妙地利用Bi和Cu的分部生長,得出了Bi和Cu類分層生長的結論。此外,電催化CO2性能的提高涉及到整個系統的開發和設計,因此本研究還考察了不同種類電解液和離子交換膜的影響,證實了強堿電解質(KOH)和堿性陰離子交換膜對電催化CO2的促進作用。

(Cu-Bi雙金屬形貌表征及其催化CO2反應機理)

該工作設計了一種簡便、易行的方法來合成分層生長Bi-Cu雙金屬電極。由于Cu和Bi原子的協同作用,該雙金屬電極作為CO2高效電催化劑,在-0.91 VRHE條件下,甲酸法拉第效率和分部電流密度分別可達到94.37 %和27.85 mA cm-2,且可連續工作50 h性能無衰減。不僅如此,研究還發現KOH相比于KHCO3具有更低的溶液電阻和更有利于CO2氣體的捕獲,同時堿性陰離子交換膜相比于陽離子交換膜更有利于抑制氫氣的析出反應。本研究為合成具有協同效應的多孔雙金屬電極提供了一個更加深入的概念,雙金屬的協同作用將在催化、能源存儲、電池領域得到更加廣泛的應用。該工作得到了上海市“科技創新行動計劃”基礎研究領域重點項目和國家自然科學基金重大計劃(培育)項目的支持。

  撰寫:彭蘆葦  信息員:李玲  編輯:朱一超




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