在酸性電解質中電催化二氧化碳還原反應（CO
2RR）生成多碳產物（C
2+）是解決當前氣候和能源危機的最先進途徑之一。然而，競爭性析氫反應（HER）和對有價值的C
2+產物的選擇性差是這些技術升級的主要障礙。陰極表面局部高鉀離子 (K
+) 濃度可以抑制質子擴散并加速所需的碳-碳 (C-C) 偶聯過程。然而，鉀鹽在本體溶液中的溶解度限制限制了反應位點可達到的最大 K
+ 濃度，從而限制了大多數電催化劑的整體酸性 CO
2RR 性能。在這項工作中，我們證明 Cu 納米針誘導超高局部 K
+ 濃度 (4.22 M)，從而打破 K
+ 溶解度極限 (3.5 M)，從而在 pH=1 的 3 M KCl 中實現高效的 CO
2RR。因此，在 1400 mA cm
-2 下，C
2+ (FE
C2+) 的法拉第效率可達 90.69±2.15%，同時 CO
2 流量為 7 時單程碳效率 (SPCE) 為 25.49±0.82% SCCM。
Fig 1. 通過 COMSOL 模擬研究催化劑的表面微環境。 (a) CuNN 表面附近的電場分布。 (b) 3 M KCl 中 CuNN 表面的 K
+ 濃度分布。白色表示不存在 K
+ 離子。 (c) 不同 K
+ 濃度的本體電解質中 CuNN 和 Cu 膜的表面吸附 K
+ 濃度。虛線是K
+濃度極限。 (d) 不同 K
+ 濃度的本體電解質中催化劑表面附近 OH
- 的濃度分布.
Fig 2. (a) CuNN 合成過程的示意圖。 (b) PTFE 基底上的 CuNN、CuNP 和 Cu 薄膜的 XRD 圖案。 (c-e) 分別為 Cu 薄膜、CuNP 和 CuNN 的 SEM 圖像。 (f) CuNN 的 TEM 圖像。 (g) 來自 CuNN 的單個納米針的 HAADF-STEM 圖像。
Fig 3. (a) 使用離子色譜 (IC) 測定電極表面吸附 K
+ 濃度的示意圖。 (b) 不同 K
+ 本體濃度下 Cu 膜、CuNP 和 CuNN 上吸附 K
+ 濃度的比較。 (c–e) 在不同施加電位和不同 K
+ 體積濃度下在 CuNN 上獲得的原位衰減全反射 FTIR 光譜：(c) 1 M KCl、(d) 2 M KCl 和 (e) 3 M KCl（電位 vs .Ag/AgCl)。
Fig 4. (a) CuNN、(b) CuNP 和 (c) Cu 薄膜在不同電流密度下獲得的 CO
2RR 產物分布。 (d) 在不同 K
+ 濃度的本體電解質中，不同施加電壓下 C
2+ 的電流密度。 (e) 使用不同 CO
2 氣體流速在 800 mA cm
-2 下獲得的 CuNN 的 C
2+ 產品的 FE 和 SPCE。 (f) FE
C2+、FE
C1、FE
H2、C
2+ 的電流密度以及本體 pH 值與其他報道的 CO
2RR 系統的比較。
相關研究工作由慕尼黑大學Emiliano Cortes和中南大學Min Liu、Junwei Fu課題組于2023年在線聯合發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊上，原文：Breaking K
+ Concentration Limit on Cu Nanoneedles for Acidic Electrocatalytic CO
2 Reduction to Multi-Carbon Products。
https://doi.org/10.1002/anie.202309351
轉自《石墨烯研究》公眾號
