ACS Catalysis: 原子分散铜金合金高效电催化还原一氧化碳制乙酸盐

一、【导读】

近年来，由可再生电力驱动的CO₂电化学还原反应（CO₂RR）转化为有价值的燃料和化学品，是解决当前全球化变暖以及大气污染的一种有前途的方法。目前，CO₂RR多在强碱电解质中进行，以抑制竞争性析氢反应，提高反应动力学。然而，CO₂与OH^-反应生成碳酸氢盐/碳酸盐导致了显著的反应物损失和CO₂回收的大量能量损失。幸运的是，这个问题可以将CO₂还原为CO之后，再通过电化学CO还原反应（CORR）来解决。因此，CORR在多碳产品的绿色合成中得到了广泛的关注。乙酸盐因其高的商业价值和庞大的市场规模而极具有吸引力，预计到2025年全球市场将达到2450万吨的需求。然而，目前只有铜基催化剂被证明能有效的将CO电化学转化为乙酸盐。因此，合理设计和开发高活性转化和稳定的铜基催化剂是目前CORR转化乙酸盐的关键热点研究之一。

二、【成果掠影】

近日，新南威尔士大学赵川教授团队报道了一种具有丰富原子 Cu-Au 界面的 Cu-Au合金催化剂，以高效地驱动CORR生产乙酸盐。并为乙酸盐提供了最大的法拉第效率（39%）和部分电流密度（217 mA cm^-2）。相关的研究成果以“Atomically Dispersed Cu–Au Alloy for Efficient Electrocatalytic Reduction of Carbon Monoxide to Acetate”为题发表在ACS Catalysis上。

三、【核心创新点】

1、作者展示了一种Cu-Au合金。原子孤立的Au在Cu主体上均匀分布，用于增强CORR。Au与多晶Cu合金化形成串联催化剂体系，以提高Cu上的*CO覆盖率，加速C-C键的形成。

2、在工业相关电流密度为315 mA cm^-2时，C₂₊物种的总法拉第效率为58%。DFT计算表明，Au原子的引入削弱了*CO + *CO的结合强度，并改善了C-C的耦合，从而有利于乙酸和C2+产物的形成。

四、【数据概览】

图1Cu-Au催化剂合成和结构表征。(a) CuAu_1%和 CuAu_30%制备示意图。(b) CuAu_1%的SEM。(c) CuAu_1%的 HAADF-STEM和 EDS 映射。(d) CuAu_30%的SEM。(e) CuAu_30%的 HAADF-STEM 和 EDS 图谱。(f) XRD光谱。 (g) Cu NP、CuAu_1%和 CuAu_30%的Cu 2p XPS光谱。© 2023 ACS publication

图2使用 1 M KOH 电解液的流通池中的CO电解。(a) Cu NPs、CuAu_1%和 CuAu_30%的 LSV 曲线；(b) CuAu_1%的 CORR产物分布；(c) CuAu_30%的CORR产物分布。Cu NPs、CuAu_1%和 CuAu_30%在不同的电流密度下的 (d) FE_乙酸盐和 (e) j_乙酸盐。(f) CuAu_1%催化剂的 CO 转化为乙酸盐的转化性能与其他报告的比较。© 2023 ACS publication

图3Cu-Au_1%催化的CORR DFT模拟。(a) 将CO电还原为乙酸盐的模拟机制。(b) Cu (111)和Au掺杂Cu在0 V（相对于RHE）上形成乙酸的自由能演变。箭头表示潜在的限制步骤。中间体的结构如图S11 和 S12所示. *CO 吸附在 (c) Cu (111) 和 (d) Au 掺杂 Cu (111) 的Au 原子上的优化结构的顶视图（上）和侧视图（下）。*CO吸附的吸附自由能如下所示。(e) Cu (111)上的Cu原子和Au掺杂Cu (111)上的Au和Cu原子的d轨道的PDOS。© 2023 ACS publication

图4(a) 用于CORR 的碱性流通池示意图。CuAu_1%在1、2和3 mg cm^–2CB 上的(b) FE_乙酸盐和 (c) j_乙酸盐。(d) X射线CT和 (e) CuAu_1%在自制GDL和2 mg cm^–2CB上的材料分数。© 2023 ACS publication

五、【成果启示】

综上所述，作者成功通过简便的一步还原策略制备了一种原子孤立的Au-Cu 合金催化剂，以实现CO至乙酸盐的高效转化。另外，作者着重地表明合适厚度的气体扩散电极（GDEs）和致密的微孔层（MPL）对促进流动池中有效的质量运输和乙酸盐生产至关重要。本研究中的一步还原催化剂制备策略对于其他能源催化领域的不同金属组合来开发单原子催化剂提供了一条通用途径。

原文详情：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c06145

本文由K . L撰稿。