最新AFM:电沉积合成CuMgAl层状双氢氧化物作为电化学CO2还原的新型催化剂

一、【导读】

近年来，由于传统化石燃料大量燃烧，导致在过去的200年里二氧化碳平均水平已从280 ppm上升到420 ppm，而且还在不断增长。电催化CO₂还原（CO₂ER）因其温和的操作条件、易于定制的反应结果以及扩大规模的巨大潜力而特别具有吸引力。其中CO₂ER生产的乙酸在许多化学领域具有广泛的适用性，因此从工业角度来看，乙酸的生产特别受关注。目前，纳米结构的Cu基电催化剂（含有Cu⁰和Cu₂O）负载在碳质载体上，可以驱动反应在液相构型中产生乙酸，同时具有低过电位和高选择性。碳质载体虽然有助于增强质量传递，但这些系统的生产率仍然受到室温下气态CO₂在水环境中溶解度低的影响。而金属层状双氢氧化物（LDH）因其碱性和对碳酸盐的高亲和力，可能在CO₂ER应用中具有很大的潜力。因此，合理设计一种简单、有效的方法将LDH负载到导电载体上用来CO₂ER生产乙酸是一项有趣的研究。

二、【成果掠影】

近日，意大利博洛尼亚大学Domenica Tonelli和Francesco Basile等人在碳质气体扩散膜上成功合成出一种新型的纳米结构CuMgAl层状双氢氧化物（LDH）基材料。该催化剂对CO₂ER成CH₃COOH具有很高的选择性催化活性。相关的研究成果以“Electrosynthesized CuMgAl Layered Double Hydroxides as New Catalysts for the Electrochemical Reduction of CO₂”为题发表在Advanced Functional Materials上。

三、【核心创新点】

1、作者成功并证明了通过简单、一步、高重复性的电沉积过程，可以在碳质气体扩散膜上获得一种新型CuMgAl LDH和Cu⁰/Cu₂O之间密切接触的复合材料。

2、优化后的催化剂为CuMgAl 2:1:1 LDH/CP，在较低的施加电位（- 0.4V vs RHE）下，在乙酸中的产率为2.0 mmol g_cat⁻¹h⁻¹。这一前所未有的结果证明了将层状双氢氧化物结构与高度分散的铜物种相结合的复合材料的有益效果，它允许在CO₂ER过程中以低电位和接近100%的选择性从而获得C2产物。并且与纳米结构Cu⁰/Cu₂O薄膜相比生产率更高。

四、【数据概览】

图1 a) 工作电极上发生的过程；b) 含铜 LDH 薄膜在碳气体扩散电极上的沉积电位变化；c) X 射线衍射图和 d) CuMgAl 2:1:1 LDH/CP 电沉积薄膜的SEM图像。© 2023 Wiley

图2a–c) 纤维上分层沉积物的SEM-FEG图像；具有花椰菜状d)和珊瑚状 e、f)形状的离散颗粒的SEM-FEG 图像。© 2023 Wiley

图3a) 不同阳离子摩尔比的电合成CuMgAl LDHs的XRD图谱; b)从EDS中分析估计总M(II)/M(III)比率；c)对于两种不同的LDH组合物，在-0.4 V vs RHE的CO₂ER产物分布。© 2023 Wiley

图4a) 电沉积过程中记录的电流密度；b) 对于不同负载量的催化剂，在-0.4 V vs RHE时CO₂ER产物分布。© 2023 Wiley

图5a)不同阳离子比的CuMgAl LDHs的XRD图谱；b) 通过EDS分析对电合成薄膜估计阳离子比率。© 2023 Wiley

图6在-0.4 V vs RHE下产生CH₃COOH a)和产生氢气 b)。© 2023 Wiley

图7使用CuMgAl 2:1:1 LDH/CP 在不同施加电位下CO₂ER液体a)和气体b)产物分布。© 2023 Wiley

五、【成果启示】

综上所述，作者通过简单、低耗时、高可重复性的电化学沉积方法直接在碳质气体扩散膜上成功开发了一种新型CuMgAl LDHs和Cu⁰/Cu₂O之间存在密切接触的复合材料。这种新型电催化剂在电化学CO₂还原方面取得了优异的催化性能。这项研究中的LDHs 凭借其高度的设计灵活性、许多碱性位点的存在以及对碳酸根阴离子的高亲和力等优点，可能将在电化学CO₂还原领域中成为具有最佳生产率的高附加值商品的新兴材料。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adfm.202300345

本文由K . L撰稿。