?

中國科大在探究限域效應(yīng)促進CO2電還原制多碳產(chǎn)物取得重要進展

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)耿志剛副教授等在CO2電還原制多碳（C2+）產(chǎn)物領(lǐng)域取得重要進展。研究人員通過制備一類具有不同孔徑的Cu多孔外殼Ag內(nèi)核的Ag@Cu核殼催化劑，深入研究了Cu外殼不同孔徑的限域效應(yīng)與CO2電還原制C2+產(chǎn)物選擇性的作用機制。相關(guān)成果以“Adjusting Local CO Confinement in Porous-Shell Ag@Cu Catalysts for Enhancing C–C Coupling toward CO2 Eletroreduction”為題發(fā)表于《納米快報》上（Nano Letters. 2022, 22(6), 2554–2560）。該文入選雜志當(dāng)期封面（圖1）。

圖1. 2022年Nano letters雜志22卷第6期封面。

利用清潔能源將CO2還原轉(zhuǎn)化為C2+產(chǎn)物，不僅為實現(xiàn)碳中和提供一種有效途徑，更對能源和環(huán)境的發(fā)展具有重要意義。在CO2電還原過程中，C-C偶聯(lián)是形成C2+產(chǎn)物的關(guān)鍵步驟，而增加局部*CO中間體濃度可有效促進C-C偶聯(lián)。因此，通過調(diào)控Cu基催化劑的多孔微觀結(jié)構(gòu)，利用孔隙結(jié)構(gòu)的限域效應(yīng)去增強局部*CO中間體濃度可有效提高生成C2+產(chǎn)物能力。但當(dāng)前催化劑的孔徑與限域效應(yīng)強度關(guān)系尚不明確。鑒于此，設(shè)計孔徑可調(diào)的多孔Cu基催化劑以深入研究孔徑與限域效應(yīng)強度關(guān)系對優(yōu)化C2+產(chǎn)物選擇性具有重要意義。

圖2.三種Ag@Cu核殼催化劑結(jié)構(gòu)表征。

研究人員利用Ostwald熟化和原位電化學(xué)還原反應(yīng)過程制備了一類多孔Cu外殼Ag內(nèi)核的Ag@Cu核殼催化劑（圖2）。通過控制不同的Ostwald熟化反應(yīng)時間，分別制備了Cu外殼的平均孔徑分別為2.8nm，4.9nm和11.2nm的三種Ag@Cu核殼催化劑。

圖3.三種Ag@Cu核殼催化劑的CO2電還原性能評價。

CO2電還原測試結(jié)果表明，相比于Cu外殼平均孔徑為2.8nm和11.2nm的Ag@Cu催化劑，Cu外殼平均孔徑為4.9nm的Ag@Cu核殼催化劑在所有的恒電流測試條件下都表現(xiàn)出最優(yōu)的催化活性和C2+產(chǎn)物選擇性（圖3）。其中C2+產(chǎn)物法拉第效率最高可達73.7%，C2+/ C1產(chǎn)物的選擇性比值達5.1倍。

圖4.不同Cu殼層孔徑對*CO中間體限域效應(yīng)的有限元模擬。

基于有限元理論模擬分析表明，相比于孔徑為2.8 nm和11.2nm的Cu殼層，孔徑為4.9 nm的Cu殼層對*CO中間體表現(xiàn)出最強的限域效應(yīng)。這種限域效應(yīng)可有效提高局部*CO中間體濃度，促進C-C偶聯(lián)生成C2+產(chǎn)物（圖4）。

該項研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持。耿志剛副教授為該論文的唯一通訊作者，博士生鐘永智和博士后孔祥棟為論文的共同第一作者。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04815

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、科研部）