杨培东院士团队 Joule：利用Cu-Ag串联催化剂高速率催化CO2电解为多碳产物

【文章亮点】

1、在GDE中，分离的Ag和Cu驱动串联电催化CO₂生成C₂₊产物。

2、1 M KOH中，Cu-Ag串联催化剂的C₂₊生产速率是纯Cu的4倍。

3、Cu-Ag串联催化剂在CO-CO₂混合气氛中比纯CORR有更高的活性。

【背景介绍】

如今，二氧化碳（CO₂）电解是一种进行CO₂回收和利用的有前景的技术，可为下游应用提供碳中性的化学原料。其中，铜（Cu）是唯一能够有效催化CO₂转化为多碳产物（C₂H₄、C₂H₅OH等）的金属。但是，纯Cu表面上缓慢的C-C耦合动力学阻碍了其工业化。因此，研究人员探究多组分催化剂设计原理（合金形成、表面掺杂等）来提高含Cu催化剂的催化性能。近年来，由于在Ag和Au上具有良好的CO形成能力，基于Cu的双金属串联催化策略被用于CO₂RR。然而，由于CO₂的传质限制，其实用性仍存在问题。气体扩散电极（GDE）通过构建有效的三相界面可以消除缓慢的进料气体传输动力学问题。但是，在高速电解过程中，催化剂周围的微环境有很大不同。因此，为了在高速率电化学环境中建立解耦的电催化CO₂-to-C₂₊模式，应在GDE流动池中评估串联平台的效果。

【成果简介】

近日，美国加州大学伯克利分校的杨培东院士（通讯作者）团队报道了一种在气体扩散电极（GDE）上的Cu-Ag串联催化剂来提高从CO₂产生C₂₊的速率。其原理：先在Ag催化剂上将CO₂还原为CO，随后在Cu上进行C-C偶联来合成C₂₊产物。对比在1 M KOH中的可逆氢电极（RHE），在-0.70 V时，添加Ag后，Cu表面上的C₂₊局部电流从37 mA/cm²增加到160 mA/cm²，且两种金属之间相互没有干扰。此外，在纯CO₂或CO气氛下，Cu-Ag串联催化剂中固有的C₂H₄和C₂H₅OH活性明显高于纯Cu。研究结果表明，由Ag生成的富含CO的局部环境除了作为CO₂或CO的供给，还可以增强Cu上C₂₊的形成，说明在三相串联环境中存在新的催化机理。研究成果以题为“Cu-Ag Tandem Catalysts for High-Rate CO₂Electrolysis toward Multicarbons”发布在国际著名期刊Joule上。

【图文解读】

图一、Cu-Ag串联体系的结构设计与表征
（A）用于高速CO₂电解和形成C₂₊产物的Cu-Ag串联平台的方案；

（B）电解前，在碳纸上Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀催化剂的顶视图SEM图像；

（C）电解前，在铜纸上Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀催化剂的横截面SEM图像；

（D）电解前后，Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀催化剂在碳纸上的XRD图谱；

（E）电解前后，在碳纸上Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀催化剂在XPS上的光谱，并与Cu₅₀₀和Ag₁₀₀₀进行比较。

图二、比较串联催化剂与纯金属催化剂的CO₂RR性能
（A）Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀、Cu₅₀₀和Ag₁₀₀₀催化剂的总几何电流密度曲线；

（B）在Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀、Cu₅₀₀和Ag₁₀₀₀催化剂上朝向C₂₊产物的局部电流密度；

（C）在CO₂RR的四个不同电势下，总C₂₊和单个产品的EF，定义为Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀局部电流与纯Cu₅₀₀电流的比值；

（D）在Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀、Cu₅₀₀和Ag₁₀₀₀催化剂上的CO产品分电流密度。

图三、比较串联催化剂与纯金属催化剂的CORR性能
（A）在Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀、Cu₅₀₀和Ag₁₀₀₀催化剂上进行CO电还原反应（CORR）的总电流；

（B）在Cu₅₀₀Ag₁₀₀₀和Cu500催化剂上CO₂生成C₂₊产品的分电流密度；

（C）在CORR中，载四种不同电势下总C₂₊和单个产品的EF。

图四、归一化的内在活性分析及示意图
（A-C）在不同局部环境下，Cu表面上对C₂H₄、C₂H₅OH和CH₃COO^-的归一化固有活性；

（D）对比标准CORR或CO₂RR，Cu-Ag催化剂产生的局部环境提供的催化差异示意图。

【小结】

综上所述，作者报道了一种Cu-Ag串联平台，实现了在流动池中大电流CO₂电解生产C₂₊产物。其中，Ag产生的局部CO和随后在Cu上形成C-C键是迈向高速率C₂₊生产的关键。此外，在相同的Cu表面上，串联的CO₂还原平台中C₂H₄和C₂H₅OH的转化率显着高于Cu在纯CO₂或纯CO还原条件下的活性。因此，高速率串联CO₂电解产生的局部环境为扩展CO₂电解的催化空间提供了新机会。但是，将文中的催化概念转化为实用的CO₂电解，需要进行系统的设计，以减少CO₂与碱性电解质的相互作用，同时在理想情况下仍要利用局部氢氧化物的催化作用。因此，需要使用电池技术作为可持续发展电解质的多尺度策略来进一步探索催化剂设计，以实现实际的串联催化CO₂电解系统。

文献链接：Cu-Ag Tandem Catalysts for High-Rate CO₂Electrolysis toward Multicarbons（Joule,2020, DOI: 10.1016/j.joule.2020.07.009）

本文由CQR编译。

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