分享至
2021 年第一期飞纳电镜优秀论文赏析｜一种新型电催化剂
随着能源不断消耗，大气中 CO2 的排放量逐年递增，由此引发的环境问题已成为全球关注的热点。去年的联合国大会上，我国向世界承诺，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。如何减少 CO2 排放、有效转化和利用 CO2 已引起各国政府的高度关注，CO2 的固定和转化是降低其含量的有效途径之一。
我们都知道自然生物可以利用太阳能、化能等能量形式固定二氧化碳进行自养生长。到目前为止，科学家共发现了 6 种天然固碳途径。其中卡尔文循环（光合作用中的碳反应部分）是自然界分布最广的固碳途径，每年可将 1 千亿吨二氧化碳转化成再生物质。但天然固碳的转换效率较低、经济性较差，是限制其实现工业化利用的主要瓶颈。因此构建具有高转化效率的人工固碳途径一直是相关领域的研究重点。
图1. 卡尔文循环（来自：维基百科）
CO2 电化学还原（ERC）技术是在常温常压条件下，利用电能（尤其是可再生能源发电）将 CO2 与水直接反应生成合成气、甲酸、碳氢化合物、醇类等高附加值的化学品或液态燃料的新技术，是一条实现可再生能源存储与 CO2 转化利用的绿色途径，对人类的可持续发展具有重要意义。ERC 技术不需要制氢、加温和加压等额外消耗的能量，且设备投资少，其潜在的经济效益和环境效益引起了研究者广泛关注。
近年来，电化学还原技术取得了长足进展，但仍存在许多亟待解决的问题，例如产物的选择性低、偏电流密度低、催化剂的稳定性与耐久性欠佳等，这些问题限制了 ERC 技术的实际应用和商业化。电催化剂作为 ERC 技术的关键材料，其性能直接影响 CO2 转化效率、还原产物选择性及稳定性。因此，开发高性能的电催化剂，提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性具有重要的研究意义和应用价值。
在所有金属电催化剂中，Cu 基催化剂是唯一可在水溶性电解质溶液中将 CO2 高选择性地催化还原生成碳氢化合物和醇类的催化剂。在 Cu 基催化剂表面，CO2 可以还原成 CO、HCOOH、CH4、C2H6、C2H4 及含氧碳氢化合物（醇类）等 16 种不同的还原产物。不同的 Cu 基催化剂用于 ERC 反应时，还原产物分布不同。影响还原产物选择性和还原效率有多种因素，包括催化剂的结构、形貌、晶面、尺寸、组成、表面缺陷等。
浙江大学功能复合材料与结构研究所的研究人员研发出一种新型电催化剂，今年 6 月 2 日，相关研究成果以《在铜-分子界面上紧固溴离子使 CO2 高效电还原成乙醇》（Fastening Br– Ions at Copper–Molecule Interface Enables Highly Efficient Electroreduction of CO2 to Ethanol）为题，发表在《ACS Energy Letter》上。
图2. 在新型电催化剂 CuBr 作用下的 CO2 “酿”酒过程
研发出的新型电催化剂十二烷硫醇改性 CuBr，在催化过程中会形成一个稳定的 Br 掺杂 Cu 硫醇界面，从而更高效地将二氧化碳还原成乙醇。该电催化剂的 C2+（含有两个碳原子及以上的化合物）法拉第效率提高了 72%， 乙醇的法拉第效率达到 35.9%。
图3. 新型电催化剂的合成过程
上图阐述了在铜箔上合成 CuBr 纳米四面体并使用十二硫醇（DDT）进行修饰改性的过程。首先将机械抛光的铜箔片在 CuBr2 溶液中浸泡 30s，快速形成 CuBr 四面体。利用飞纳台式场发射扫描电镜 Phenom Pharos 对 CuBr 和 CuBr - DDT 的形貌进行观察，在铜箔的整个表面上可以清晰地观察到排列紧密、表面光滑的四面体纳米结构（图 3b）。经过 DDT 处理后，可以看到 CuBr 四面体表面吸附的絮凝状 DDT（图 3c）。
实验结果表明，用 DDT 分子修饰的 CuBr 对 C2+ 的法拉第效率高达 72%，乙醇-乙烯比接近 1.1。DDT 在 CuBr 上的吸附会阻碍 Br 的迁移和 CuBr 的完全还原，从而在催化过程中形成独特的 Br 掺杂 Cu 硫醇界面，且界面稳定性高。同时，DDT 的吸附抑制了氢和甲烷的产物选择性。在 Cu 中引入 Br- 可以稳定高价态 Cu，从而提升对乙醇的选择性。这一策略将有助于其他复杂电子-质子转移过程的电催化系统的设计。
