天津大学巩金龙教授Small:Au-CeOx纳米片的大量Ce3+离子提高CO2电还原性能

【引言】

燃烧化石燃料使空气中有大量CO₂，导致全球变暖。CO₂电还原能减轻燃烧化石燃料的影响。然而，活化CO₂需要过高的过电位，目标产物的选择性低。金对CO的选择性高，用于CO₂电还原的过电位低。但是，金的成本高昂。负载金纳米颗粒是减少使用金的有效策略。尽管负载金纳米颗粒促进CO的生成，但CO法拉第效率和起始电压依然受限。最近，CeO₂通过促进CO₂活化对提高CO₂转化效率产生积极的影响。负载金纳米颗粒在 CeO_x纳米颗粒上形成的体系的CO₂电还原性能可以通过从Ce³⁺入手来提高。可是，Ce³⁺浓度和CO₂电还原性能的关系还未被研究。

【成果简介】

近日，天津大学的巩金龙教授（通讯作者）等人在Small上报道了含有大量Ce³⁺离子的 Au-CeO_x纳米片增加CO法拉第效率。他们还原CeO₂纳米片 ，获得更高浓度的Ce³⁺，证实CeO_x纳米片的Ce³⁺用于CO₂电还原的机理。当电压为-0.5V时，含有47.3% Ce³⁺的Au-CeO_x纳米片在0.1 M KHCO₃溶液中的CO法拉第效率为90.1%。而且，Au-CeO_x纳米片的CO₂电还原活性和Ce³⁺浓度呈正线性相关。机理研究表明CO₂电还原性能的提高归因于Au-CeO_x的Ce³⁺和羟基，它们促进CO₂活化，有助于生成COOH 。

【图文导读】

图1.a)含有不同浓度的Ce³⁺的Au-CeO_x纳米片的合成过程；b) CeO₂纳米片的TEM图；c) AuCe-47.3的TEM图 和金纳米颗粒尺寸分布；d)AuCe-47.3的HRTEM图

图2.a)Au-CeO_x的XPS图；b)、c)、d)、 e) 分别为 AuCe-33.2、AuCe-35.5、 AuCe-43.1、AuCe-47.3的XPS图的拟合曲线

图3.a)线性扫描伏安法测试的结果；b)Ce³⁺浓度不同的Au-CeO_x在不同电位下的CO法拉第效率；c)CO的生成的比活性；d)电位为-0.5V时Ce³⁺浓度不同造成的CO法拉第效率的差异

图4.a)、b)分别为不同电位下AuCe-47.3、AuCe-33.2 的ATR-SEIRAS谱图； c) Au-CeO_x的塔菲尔斜率；d)AuCe-47.3参与CO₂电还原的反应路线

图5.a)AuCe-2的结构；b) AuCe-0、AuCe-1和AuCe-2的自由能

【小结】

Au-CeO_x纳米片被NaBH₄预处理后，产生大量Ce³⁺离子。CO₂电还原活性随着Ce³⁺浓度的增加而提高。CO法拉第效率和Ce³⁺浓度紧密相关。 Ce³⁺浓度为47.3%的Au-CeO_x的CO法拉第效率为90.1%，电催化活性维持8小时。ATR-SEIRAS 和DFT结果证实Ce³⁺浓度高的Au-CeO_x促进CO₂电还原中CO₂的吸附和COOH的生成，增强CO₂电还原活性。这项工作通过调节金属氧化物的性质为设计CO₂电还原催化剂提供了新的路径。

文献链接：Abundant Ce3+ Ions in Au‐CeOx Nanosheets to Enhance CO2 Electroreduction Performance（Small，2019，DOI:10.1002/smll.201900289）

本文由kv1004供稿。