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於俊/蔡欣/杨世和ACS Catal.:铜空位调控硫化铜产物从甲酸向CO转换

日期: 2022-08-03
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来源:x-mol


利用可再生能源进行CO2电化学还原反应(CO2RR)为实现碳中和目标和生产高附加值化工产品提供了一种环境友好型策略。催化剂提高CO2RR活性与选择性的关键因素。近年来,为了降低CO2RR的过电位,选择性地获得目的产物,开发出大量贵金属、过渡金属及其氧化物基CO2RR电催化剂。其中,铜(Cu)最受关注,因其对CO2RR过程中关键中间体*CO的吸附能适中,可以广泛生成C1−C3产物。CO作为一种能量载体,可通过Fischer-Tropsch反应用于高效生产多种精细化学品。因此,电化学还原CO2为CO以其低能耗和高回报引起了人们的广泛关注。而在原始的Cu电极上,电化学还原CO2为CO的选择性非常低,远不能满足需求。为了解决这个问题,采用了多种策略对催化剂进行优化,例如将金属或金属氧化物作为添加物引入铜中或与铜形成合金、优化单原子催化剂中金属中心周围的配体、调整铜位点的化学状态,以及将铜催化剂与碳材料复合。

金属硫化物由于其良好的电子导电性、结构和组成灵活可调,被认为是有前途的电催化剂。由于硫的p-block特性,硫与铜结合为CO2RR过程中中间体形成竞争或辅助结合位点,从而打破棘手的线性关系,有效地调控产物的分布。例如,硫化铜基催化剂对 HCOOH 的选择性比铜更高。这是因为 S 阴离子的存在硫化铜对*COOH吸附太弱,使得CO2RR 过程中CO的形成受到抑制。但可以通过活化水分子促进 H* 的形成,有助于形成甲酸途径的关键 COOH* 中间体。在之前的报道中,硫化铜基催化剂的主要产物倾向于甲酸而不是CO。

北京大学深圳研究生院杨世和教授(点击查看介绍)团队联合华南农业大学方岳平教授(点击查看介绍)团队开发出了一种具有优异电催化活性,稳定性且可调控CO2RR产物分布的电催化材料。该工作中硫原子从内核通过硫氮共掺杂碳(SNC)间隔层向外扩散与外层铜壳发生反应形成了富铜空位的SNC@Cu1.96S空心纳米微球。通过在铜的硫化物中引入Cu空位使CO2RR平衡向产CO的方向倾斜,而不是生成甲酸盐。DFT计算表明,铜硫化物中的Cu空位减弱了吸附物与金属的相互作用,为*COOH中间体的形成提供合适的结合能,从而有效地生成CO。同时,由于*H和*OCHO自由能垒的增加,富Cu空位的铜硫化物上的析氢反应(HER)和甲酸盐生成通道均被显著抑制。此外,铜空位除了调节活性位点的电子结构外,还降低了电荷转移电阻,增强了CO2的吸附能力,都有助于CO2RR活性的增强。

本工作通过合理设计引入Cu空位,论证了硫化铜上Cu空位调控CO2RR产物从甲酸到CO的转变,同时Cu空位的浓度可以决定性地调节CO的法拉第效率和分电流密度。设计合成的SNC@Cu1.96S中大量的Cu空位使得其JCO在Cu基催化剂中占据优势地位,高达37.2 mA cm−2(H cell),可与其他FECO高的催化剂相媲美。本文结合一系列实验表征与理论计算结果证明,CO2在Cu空位丰富的Cu1.96S表面的电化学还原反应比在Cu2S表面具有更高的动力学可行性。

SNC@Cu1.96S呈现均匀空心球形结构。空腔直约为400 nm,壳层厚度约为100 nm。S元素均匀分布在整个壳体上,而Cu元素主要分布在壳体的外部。与SNC@Cu2S相比,SNC@Cu1.96S的TEM图像中具有更多模糊和不连续的晶格条纹,这意味着大量缺陷的存在。作者通过调控铜源量来控制引入铜空位的浓度。如图2f所示,SNC@Cu1.96S在g = 1.995处表现出强的EPR信号,这与样品中的Cu空位明显相关,相比之下,SNC@Cu2S几乎没有EPR信号,证明没有Cu空位,可以得到缺陷浓度随铜源量下降而升高的结论。从HR-TEM、XRD和EPR结果可以看出,SNC@Cu1.96S中形成了Cu空位。

在-1.0 V vs RHE的电位下,SNC@Cu1.96S实现了48.66 mA cm−2的总电流密度,是SNC和SNC@Cu2S的2.88和1.36倍;SNC@Cu1.96S的电荷转移电阻比SNC@Cu2S和SNC小得多,当SNC@Cu1.96S的表面发生CO2还原时,SNC@Cu1.96S上有利的电荷转移提供了更多与CO2*中间体相关的活性物种,导致电流密度增强;ESCA中,活性面积相似表明,SNC@Cu1.96S和SNC@Cu2S的性能差异源于它们本征活性;CO2吸附等温线如图d所示,与SNC@Cu2S和SNC相比, SNC@Cu1.96S在相同的压力下具有更高的CO2吸附能力。

对于SNC@Cu1.96S来说,CO和H2是其主要产物。当电位达到−0.84 V vs RHE时,CO的FE达到最高为85.2%,HER明显受到抑制。在-0.84 ~-1.15 V vs RHE较宽的电位窗口内,CO的FE保持在80%以上。SNC@Cu2S主要产物是甲酸盐,在−0.94V vs RHE达到52.2%。SNC催化剂表现出很强的HER活性。这表明SNC在CO2RR中很难起到催化作用,而是作为良好的催化剂载体。与SNC@Cu1.96S相比,当Cu空位的浓度降低到SNC@Cu1.96S的65.3%时,CO的FE(图3c)仅为41.5%;SNC@Cu1.96S的JCO随电位的增加而增加,在−1.14 V时达到37.2 mA cm−2,大量的Cu空位使得其JCO在Cu基催化剂中是最高的,是SNC@Cu2S的12倍;SNC@Cu1.96S的长期稳定性能如图3f所示。

Cu-空位表面(Cu1.96S)由少量的表面和亚表面的Cu阳离子组成,其余的Cu原子与S阴离子的p-d电荷转移增加,从而重新分布有利于单个Cu-C键吸附配置的表面电子结构,并将产物从甲酸盐变为CO。铜空位表面对中间体的结合强度有重要影响,并使CO途径比甲酸途径更有利于能量。理论计算表明,对于CO2RR反应,表面Cu空位丰富的Cu1.96S比在Cu2S表面更具有优良的动力学可行性,与实验结果相吻合

总结

综上所述,为了有效地调控电化学CO2RR的反应途径,作者设计并合成了三种硫化铜。没有Cu空位的SNC@Cu2S对甲酸盐具有较高的法拉第效率,而低浓度Cu空位的SNC@CuxS和富铜空位的SNC@Cu1.96S的主要产物是CO。一方面,Cu1.96S中的Cu空位改变了S位的电子结构,极大地增加了H*的生成能垒。另一方面,Cu空位削弱了吸附质与金属的相互作用,使*COOH中间体具有合适的结合能。这些有利的特征结合在一起,促进CO的优先形成,而不是甲酸。此外,铜空位降低了电荷转移电阻,优化了活性位点的电子结构,增强了CO2的吸附能力,从而促进了SNC@Cu1.96S的CO2RR活性。相信这一策略可以推广到其他铜基催化剂,生产出不同附加值、高活性、高选择性的CO2RR产品。



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