干货：一文解读铜基CO2还原催化剂

Alisa 5年前 (2018-12-17) 11876浏览

铜基材料是CO2还原反应中非常特殊的一类催化剂，无论是在CO2电还原还是热还原加氢反应。Rossmeisl教授在其综述[ChemPhysChem 2017, 18, 3266-3273]中认为Cu的特殊性在于Cu对H的吸附弱，而对CO的吸附适中。对H的吸附弱，决定了Cu在电化学反应中可以抑制产氢反应（HER）的进行，提高含碳产物的法拉第效率；而在热催化加氢中，可以避免C完全加氢生成甲烷，因此Cu是CO2加氢制甲醇的高效催化剂，副产物主要是逆水汽变换反应产生的CO。对CO的吸附适中，保证了Cu在CO2还原中一定的活性，同时scaling relation决定了C-C偶联很难在Cu上发生，因此，CO2加氢制高碳产物的催化剂一般是铁基催化剂（Fe3O4可以逆水汽变换，Fe5C2可以费托），PS：这一点似乎可以利用作为辅助活性位点得到短链烯烃。而在电催化中，由于电子转移的效率更为高效，加上适当的化学修饰，如合金化，掺杂非金属等来调控对中间物种的吸附能力，就可以高选择性的得到高碳产物。

（1）CO2电还原

Hori等将传统金属电极材料按照还原产物分类如下:（1）主产物是HCOOH的材料：Cd、In、Sn、Hg、Tl、Pb等；（2）主产物是CO的材料：Ag、Au、Zn等；（3）主产物是H2的材料：Ni、Fe、Pd、Pt、Ti 等；（4）主产物是烃类的材料只有Cu，如图1所示。

图1. 不同催化剂CO2电还原产物。该图选自[ChemPhysChem 2017, 18, 3266-3273]，改编自[J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1989, 85, 2309-2326.]。

迄今为止，所有高碳产物的催化剂基本都是Cu基催化剂。一种典型的CO2电还原制C2+产物的催化剂就是Cu基合金如Cu-Ag、Cu-Au、Cu-Pd、Cu-Zn等，见表1。最近，乔世璋课题组在其综述中队与Cu形成合金的金属进行了分类，他们的分类依据是该金属与Cu相比，是亲O，还是亲H，见图2[Chem 2018, 4, 1809-1831]。对于比Cu对O的吸附更强但对H的吸附更弱的金属如In, Sn, Hg和Pb来说，*COOH是第一步产物，因此反应主要产物是HCOOH。对于比Cu对O和H的吸附都弱的金属如Zn, Ag和Au来说，它们对*COOH的吸附比*CO强，因此CO更容易脱附，并成为主要产物。然而，对于比Cu对H的吸附更强的金属，无论它们对O的吸附是弱（如Pd）还是强（如Co, Ni, Fe, Ir和Pt），HER都是主要反应。笔者认为这种划分对C1产物很有效，而对于C2+产物，则会涉及到C-C偶联，就需要考虑到C,H,O三种元素之间的竞争吸附了。不同于先前课题组的合金体系，Sargent教授课题组利用非金属掺杂实现了很高的C2+产物选择性。

表1. Cu基催化剂CO2电还原制C2+产物总结。

催化剂

电解液

电势

选择性

参考文献

graphite/carbon NPs/Cu/PTFE

7 M KOH

-0.55 V versus RHE

C2H4(70%)

Science 2018, 360, 783–787

Cu(B)

0.1 M KCl

-1.1 V versus RHE

C2+products (79%): C2H4(52%), C2H5OH (27%)

Nat. Chem. 2018, 10, 974-980

Cu2S–Cu-V

0.1 M KHCO

-0.95 V versus RHE

C3H7OH (8%), C2H5OH (15%)

Nat. Catal. 2018, 1, 421-428

Cu-on-Cu3N

0.1 M KHCO3

-0.95 V versus RHE

C2+products (64%): C2H4(39%), C2H5OH (19%), C3H7OH (6%)

Nat. Commun. 2018, 9, 3828

Cu63.9Au36.1/NCF

0.5 M KHCO3

-1.1 V versus SCE

CH3OH (15.9%), C2H5OH (12%)

J. Power Sources 2014, 252, 85–89.

Au@Cu

PBS

-0.6 V versus RHE

C2H4(distribution 20%)
CH4(distribution 20%)

J. Mater. Chem. A 2015, 3, 23690–23698.

Ag@Cu

0.1 M KHCO3

-1.06 V versus RHE

CO (82%)
C2H4(28.6%)

J. Phys. Chem. C 2017, 121, 11368–11379.

CuAg surface alloys

0.05 M Cs2CO3

CO dominant (low at % Cu)
H2and C2H4dominant (high at % Cu)

J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15848-15857.

Nanocoral Cu-Ag

0.2 M CsHCO3

-1.0 V versus RHE

C2H4(20%), H2(30%–35%)

Energy

Environ. Sci. 2017, 10, 2222–2230

Oxide-derived Cu4Zn

0.1 M KHCO3

-1.05 V versus RHE

C2H5OH (29.1%), C2H4(10%)

ACS Catal. 2016, 6, 8239–8247

Pd-decorated Cu

0.5 M KHCO3

-0.96 V versus RHE

CH4(46%–40%), C2H4(7–11%)

Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13135–13139

PhaseSep CuPd

1 M KOH

-0.74 V versus RHE

C2chemicals (65%)

J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 47–50

Cu2O-derived Cu with PdCl2

0.1 M KHCO3

-1.0 V versus RHE

C2H6(30.1%), C2H4(3.4%)

J. Phys. Chem. C 2015, 119, 26875–26882

图2. 基于H和O的吸附能力对金属的分类[Chem 2018, 4, 1809-1831]。

（2）CO2加氢

Cu/ZnO/Al2O3是20世纪70年代ICI公司发明的一种用于制甲醇的商用催化剂，一直以来就广受关注，对其活性位点的研究经久不衰。有人认为Cu 基催化剂活性成分为 Cu0和 Cu+，且 Cu+/Cu 的比值为 0.7 时催化剂性能最佳，DFT计算也表明Cu+出现在Cu与氧化物载体界面上，且Cu+主要催化生成甲醇的反应，逆水汽反应在 Cu0上进行[Science，2014，345：546-550]。然而，也有人认为Cu基催化剂的活性位点仅为Cu0。实验和理论研究表明，CO2在Cu(111)、Cu(100)和Cu(110)等低指数晶面上吸附较弱，表现出较低的CO2加氢活性及甲醇选择性，产物主要为CO。

2012年，Behrens和Schlögl课题组研究认为（1）平面的纯Cu对甲醇合成的活性低；（2）Cu的台阶面能增强对中间产物的吸附，降低反应能垒，是甲醇合成的活性位点；（3）在Cu的缺陷位掺入Zn可以进一步提高甲醇合成的活性，含氧中间物种（HCOO*, H2CO*，H3CO*等）通过O原子与催化剂表面连接，掺杂Zn后，可以增强活性位点对含氧中间物种的吸附。ZnO与Cu之间金属载体强相互作用使Cu颗粒被部分ZnOx覆盖 [Science, 2012: 1219831]。该研究团队认为CO2加氢在Cu-Zn表面走的是甲酸盐路径，而不是逆水汽变换路径，见图3a。2016年，Sehested组定量分析了ZnO对Cu的促进作用。他们发现无论是Zn覆盖在Cu的低指数晶面，还是台阶面，都能形成活性位点。见图3b，Zn的覆盖度越高，催化剂活性越高。此外，在Cu/ZnO催化剂中，ZnO和Cu的颗粒尺寸大小也与Zn的覆盖度相关，一般而言，ZnO的颗粒越大，Zn的覆盖度越低；Cu的颗粒越小，Zn的覆盖度越低。2017年，Rodriguez课题组用ZnCu 和ZnO/Cu为模型，进一步研究了Cu/ZnO催化剂。他们发现ZnCu合金在CO2加氢反应条件下，Zn会转化为ZnO，这样具有相同Zn覆盖度的ZnCu 和ZnO/Cu的活性也接近。他们认为该催化剂走甲酸盐路径，且活性位点在Cu和ZnO的界面出，见图3c和3d。

图3.

(a) Cu(111), Cu(211)和CuZn(211)表面CO2加氢制甲醇路径[Science, 2012: 1219831]。 (b) Cu/ZnO/Al2O3催化剂中Zn覆盖度对甲醇活性的影响[Science, 2016, 352, 969-974]。(c) ZnCu(211)和(d) ZnO/Cu(111)表面CO2加氢制甲醇路径[Science 2017, 355, 1296-1299]。

通过近年来的文献可以看出，Cu基催化剂无论在CO2电还原还是CO2加氢反应中都具有不可取代的作用，无论是从性能上，还是在机理中，它们仍有很大的潜力可挖。

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