二氧化碳是造成全球變暖的主要原因之一,而電催化還原二氧化碳為碳捕獲提供了一種新的技術(shù)手段。利用CO2還原與析氫反應(yīng)(HER)反應(yīng)耦合,可以產(chǎn)生具有高經(jīng)濟效益的合成氣(H2+CO),從而為多種工業(yè)化學(xué)反應(yīng)提供前驅(qū)體。然后,現(xiàn)有催化劑在調(diào)控合成氣比例(H2/CO)、產(chǎn)率以及電化學(xué)穩(wěn)定性方面仍有待進(jìn)一步改善。例如,大多數(shù)研發(fā)的合成氣電催化劑的穩(wěn)定性低于24h,限制了其實際應(yīng)用。
最近,華中科技大學(xué)新金屬材料研究中心柳林教授團隊張誠等人通過激光3D打印技術(shù)與電化學(xué)脫合金技術(shù)復(fù)合,成功制備了具有分級多孔結(jié)構(gòu)的CuAg雙金屬,并系統(tǒng)研究了其電催化還原CO2生成合成氣性能與機制。通過合理設(shè)計3D打印前驅(qū)體的合金成分,成功制備出3D分級多孔與納米尺度相分離的CuAg雙金屬,實現(xiàn)了高的法拉第效率(>92%)以及寬的合成氣可調(diào)比例(H2/CO從3:1到1:2)。進(jìn)一步通過構(gòu)筑分級孔結(jié)構(gòu),該3D分級多孔CuAg蜂窩催化劑的合成氣產(chǎn)率進(jìn)一步提高,達(dá)到140 μmol/cm2/h,超長的電化學(xué)穩(wěn)定性140h(為目前合成氣文獻(xiàn)最高值)。此外,還發(fā)現(xiàn)3D分級多孔CuAg的催化性能顯著優(yōu)于3D分級多孔Cu以及2D分級多孔CuAg。
圖1 3D打印/脫合金復(fù)合技術(shù)制備納米多孔CuAg雙金屬及其結(jié)構(gòu)表征
圖2 3D打印/脫合金復(fù)合技術(shù)制備納米多孔CuAg雙金屬及其電催化還原CO2性能
研究發(fā)現(xiàn):Ag的引入改變了Cu的能帶結(jié)構(gòu),從而改善了反應(yīng)動力學(xué)(Tafel斜率降低50%)并降低了電子轉(zhuǎn)移電阻。而3D分級多孔CuAg的高穩(wěn)定性與其跨尺度多孔結(jié)構(gòu)有關(guān),其中毫米孔促進(jìn)了氣泡的生長與解吸附,微米孔通過釋放脫合金化中的應(yīng)力使納米多孔層與基體結(jié)合更穩(wěn)定,納米孔則極大地增加了催化劑的活性面積。本工作為開發(fā)高性能分級多孔電催化劑提供了新思路。
圖3 3D打印/脫合金復(fù)合技術(shù)制備蜂窩狀分級多孔CuAg及其電催化還原CO2性能
圖4 催化機制及穩(wěn)定性分析
相關(guān)工作近期發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface (2021)上。該研究得到了國家自然科學(xué)面上基金(51771077)和湖北省杰青項目(2020CFA086)資助。該工作第一作者是2018級碩士鄢文遠(yuǎn)同學(xué),通訊作者是張誠副教授。
來源:華中科技大學(xué)
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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c10564
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