【百测情报局】“双碳”背景下，二氧化碳还原领域科研情报速览！

能源学报

2022-04-12 13:30

【百测情报局】
“双碳”背景下
CO2还原科研情报速览！
三月以来，在全球高水平期刊上发表了多篇关于二氧化碳还原（CO2RR）领域的重要工作。这里，百测情报局邀请大家速览一下！
1
AFM：Fe单原子催化剂用于高效CO2RR
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将二氧化碳电化学还原(CO2RR)为增值化学品是缓解全球变暖的一种很有前景的策略。这里，国立台湾科技大学Bing Joe Hwang等人首次证明Fe单原子催化剂(Fe SAC)存在于Fe-(O)3的氧配位构型上，这是CO2RR不熟悉的独特的金属活性位点。电化学性能表明，对于乙醇，Fe SAC在-0.8VRHE时的FE为 45%，产率为56.42 µmolcm-2h-1。原位X射线分析表明，Fe SAC具有可变的电子态，并在CO2RR的电位范围内保持接近+3的氧化态。催化特性降低了反应能并诱导电子转移到*COOH和*OCHO的吸附产物中间体，从而促进CO。CNT上的羧基官能团通过静电相互作用稳定Fe活性位点，通过密度泛函理论计算得到验证。Fe SAC的产率表明，Fe单原子位点可以立即提供大量CO，以帮助CNTs上的 CO2转化为C2产物。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202109310
2
Small：用于CO2RR的具有单金属位点的有序介孔碳的通用合成策略
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电化学二氧化碳还原反应(CO2RR)是一项碳中和的变革性技术。单位点催化剂已被证明是用于CO2RR的有前景的催化剂，但仍需要开发用于具有高表面积和可调单位点金属组成的催化剂的通用合成方法，以明确研究跨各种金属中心的结构-活性关系。这里，爱荷华州立大学Qi Long等人报道了一种广义的配位-缩合策略，可在具有高表面积(平均800m2g-1)的有序介孔碳(OMC)上制备单原子金属位点。该方法适用于负载量高达4 wt.%的多种金属位点(Fe、Co、Ni、Cu、Pt、Pd、Ru 和 Rh)。特别是，使 Ni单位点OMC催化剂的CO2RR制取一氧化碳(CO)法拉第效率(FE)达到95%。即使在大电流密度(>140 mAcm-2)和长期研究(14h)下也能保持这种高FE，适合急需的大规模应用。
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https://doi.org/10.1002/smll.202107799
3
Small：Pd掺杂的Pb3(CO3)2(OH)2用于高效CO2RR
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探索电化学条件下的催化剂重构对于理解催化剂的构效关系以及设计有效的电催化剂至关重要。在此，南洋理工大学Yan Qingyu等人合成了PbF2纳米团簇，并研究了其在CO2还原条件下的自重建。F-浸出、CO2饱和环境和正极电位的应用诱导PbF2自重构为Pb3(CO3)2(OH)2，从而有效催化CO2还原为甲酸盐。原位形成的Pb3(CO3)2(OH)2在很宽的电势范围内具有>80%的甲酸盐法拉第效率(FE)。同时，在-1.2 V vs. RHE时，最大甲酸盐FE约为90.1%。动力学研究表明，Pb3(CO3)2(OH)2上的CO2RR在CO2质子化步骤中是速率受限的，其中质子由电解质中的碳酸氢盐提供。为了改善CO2RR动力学，Pb3(CO3)2(OH)2进一步掺杂Pd(4wt%)以增强其对碳酸氢盐的吸附，从而加速CO2的质子化。因此，在-0.8至-1.2 V vs. RHE之间，Pb3(CO3)2(OH)2(4wt%) 显示出>90的更高甲酸盐FE。在电流密度约为13 mA cm-2，-1.2 V vs. RHE时达到了96.5%的最大甲酸盐FE。
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https://doi.org/10.1002/smll.202107885
4
AM：银-铜Janus纳米结构用于高选择性CO2RR
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电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）具有促进碳中和的巨大潜力。然而，CO2RR对多碳产物的选择性仍然太低，无法满足实际应用。在这里，香港城市大学范战西教授等人报告了三种具有晶面的Ag-Cu Janus纳米结构(JNS-100)的精细合成，用于将CO2高选择性串联电催化还原为多碳产物。通过控制Cu前驱体的表面活性剂和还原动力学，实现了在Ag纳米立方体的六个相等面之一上具有面的Cu的受限生长。与Cu纳米立方体相比，Ag65–Cu35JNS-100在较小的负电势下对CO2RR中的乙烯和多碳产物表现出更高的选择性。密度泛函理论计算表明，Ag65–Cu35 JNS-100中的补偿电子结构和一氧化碳溢出有助于提高CO2RR性能。本研究为设计先进的串联催化剂以实现CO2RR的广泛应用提供了一种有效的策略。
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https://doi.org/10.1002/adma.202110607
5
AFM：锌电极上配位不足Zn位点对CO2还原为CO的作用
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使用可再生能源的电化学CO2还原反应 (CO2RR) 是实现全球碳中和的有希望的途径。最近，使用铜催化剂和CO原料代替CO2已被证明可以提高对多碳产品的选择性。最先进的CO2制CO电催化剂主要基于贵金属，例如银和金。相比之下，地球上丰富的锌表现出较差的选择性和活性。这里，新加坡国立大学Boon Siang Yeo等人报道了多孔树枝状氧化物衍生的锌(OD-Zn)催化剂在CO2RR中的应用。这些催化剂可将CO2还原为CO，在-0.95 V vs. RHE时的最大法拉第效率为86%，在-1.00 V vs. RHE时的局部电流密度为-266 mA cm-2。进一步发现OD-Zn具有更多的欠配位点，表现出比电沉积Zn金属更高的CO2RR活性和CO选择性。虽然先前已将氧空位作为活性位点，但详细的实验和密度泛函理论计算表明，具有高度欠配位的Zn位点可提供更高的活性。这些发现展示了具有大量未配位位点的Zn-O衍生颗粒可作为用于生产CO的具有成本效益的电催化剂。
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https://doi.org/10.1002/adfm.202111597
6
AEM：用于高性能CO2RR的电化学驱动界面转化
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由于缺乏先进的电催化剂，二氧化碳还原反应（CO2RR）的选择性差，法拉第效率低，电流密度有限。在这里，山东大学张进涛教授等人证明了硫化铋（Bi2S3）纳米棒的电化学驱动界面转变能够在功能化碳纤维（BiNN-CFs）上原位形成3D铋纳米片网络（BiNN）。值得注意的是，具有自驱动电荷迁移的理想异质结的形成有助于在几秒钟内快速还原Bi2S3纳米棒的成分转换。通过聚四氟乙烯涂层的焦耳加热对CFs的功能化诱导界面相互作用，从而通过重结晶过程同时将形态演变为分级BiNN。更重要的是，分层BiNN-CFs显示出改进的CO2RR性能，包括在宽电位范围内对甲酸盐生成的合理选择性 (≈92%)、419 mA cm-2的局部电流密度和良好的长期稳定性。理论上的理解表明，晶格畸变可以调节p带中心以优化中间体吸附，从而提高电催化活性。特别值得注意的是，太阳能驱动的CO2-H2O全电池也展示了13.3%的能量转换效率。这些进展表明，由于界面结构和性质的合理调节，优化电催化的空间很大。
https://doi.org/10.1002/aenm.202103960
7
EES：富界面CuO/Al2CuO4表面用于从CO2RR选择性生产乙烯
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铜一直被认为是用于CO2还原反应(CO2RR)的主要且有效的电催化剂，尤其是针对乙烯产品时。在这里，蔚山国立科技大学Youngkook Kwon等人展示了一种新设计的电催化剂，该电催化剂包含通过相和相间工程均匀覆盖有CuO纳米颗粒的Al2CuO4纳米片(CuAl-1：CuO/Al2CuO4-23)，在H电池系统中实现了82.4%的超高乙烯选择性和100小时的催化稳定性和材料耐久性。在流通池电解槽中，该催化剂实现了421 mA cm-2的非常高的乙烯局部电流密度，远高于合成的裸CuO (261 mA cm-2)对应物。时间分辨衰减全反射-表面增强红外吸收光谱 (ATR-SEIRAS) 的结果表明，与CuO催化剂相比，CuAl-1能够实现*CO中间体的高表面覆盖率并增强*CO的吸附以进行C-C耦合*OCCO(生产乙烯的中间体)。X射线吸收分析证实，CuAl-1中的 Cu 氧化物物种在CO2还原过程中得到了很好的保留，而裸CuO催化剂则完全还原为金属Cu状态。密度泛函理论计算表明，CuAl-1中的CuO和Al2CuO4之间的协同效应将CO2RR途径导向乙烯。
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https://doi.org/10.1039/D1EE03861C
8
EES：在工业级电流密度下用于高效CO2电还原的原子分散Ni催化剂
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嵌入部分石墨化碳中的原子分散和氮配位的单个Ni位点（即NiNX部分）已成为将CO2电还原为CO的有效催化剂。然而，在控制整体催化CO2电解性能的外在和内在因素背后仍存在许多谜团。在这里，纽约州立大学Wu Gang等人基于Ni-N-C模型催化剂系统地阐明了NiNX位点在热活化过程中的结构演变和其他关键外部因素（例如碳颗粒尺寸和Ni含量）。Ni-N-C催化剂中碳平面的N配位、金属-N键长和热起皱取决于热温度。密度泛函理论(DFT)计算表明，压缩应变 NiN4位点中Ni-N键的缩短可以从本质上提高Ni-N-C催化剂中CO2RR的活性和选择性。值得注意的是，在较高温度（例如1200°C）下形成的NiN3活性位点本质上比NiN4更具活性。作者还研究了碳颗粒尺寸和镍负载等形态因素如何改变最终催化剂的结构和性能。值得注意的是，该催化剂在工业流通池电解槽中的应用展示了优异的CO生成性能，实现了高达726 mA cm-2的CO电流密度，CO 的法拉第效率超过90%，是用于将CO2还原为CO的最好的催化剂之一。
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https://doi.org/10.1039/D2EE00318J
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Applied Catalysis B: Environmental：通过亲-疏水催化剂层调节气体扩散电极上电化学CO2还原的反应区
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调节气体扩散电极(GDE)的合理润湿性对于通过微调反应区和促进三相界面的形成来提高CO2RR的效率起着关键作用。在此，昆士兰大学Hu Shihu等人提出了一种润湿性调节策略，可调节GDE催化剂层中的三相反应区。该策略用于负载Bi嵌入催化剂层的流通式中空纤维GDE。与影响大部分电催化剂或催化剂层的其他非原位方法（例如，添加润湿剂）相比，该工作在催化剂层内创建了独特的亲水-疏水区域。通过促进物质传输、促进三相界面形成和最大化活性位点，具有亲水-疏水区域的催化剂层优于完全亲水的催化剂层。这种调节策略在 CO2RR正极条件下显示出稳定的润湿性。与未经处理的电极相比，具有调节润湿性的电极表现出超过80%的催化剂利用率和4倍的甲酸盐局部电流密度（~150 mA cm-2，FE> 90%），优于其他用于CO2RR甲酸盐的GDE。这种多功能微环境调节策略的发现可以扩展到用于其他气相反应的GDE。
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https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121362
► 中科百测
图文：中科百测
排版：张悦
审核：陈韬
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