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Angew. Chem. :Cu2Mg金屬間化合物高效電催化CO2還原為乙醇2024-06-11
電催化CO2還原技術,是能利用溫室氣體CO2作為反應原料并制取高附加值的化工原料或燃料的有效路途之一。由于CO2還原的反應路徑復雜,當前已報道的銅基催化劑對乙醇產物的分電流密度一般低于400 mA·cm-2

構筑雙金屬銅基材料能有較大范圍調變催化劑的電子結構,從而改變對目標產物的關鍵中間體的吸附強度,是一種廣泛報道并行之有效的策略。然而,當前報道的第二組分(另外一種為銅)金屬多為對CO2還原反應具有活性的金屬,如Au、Ag、Zn、Sn、Pd、Bi等,這只能提高對CO、甲酸/甲酸鹽或乙烯,而不是乙醇產物的選擇性。另外,由于堿金屬或堿土金屬在水或空氣中的高化學反應活性,科研工作者很少關注到它們。其中,金屬鎂在一般環境下具有較高的化學惰性;同時,它的陽離子具有多價特性和較小的半徑,被報道能與*CO2?中間體有較強的短程相互作用和更容易的活化水的能力。此外,與碳配位的鎂單原子催化劑可以通過調整p-band位置,來提高對含氧物種的結合強度。因此,設計合成鎂和銅的合金催化劑可能增強CO2還原中乙醇的含氧中間體的吸附強度來提高乙醇產物的選擇性和活性。

近日,復旦大學的鄭耿鋒教授、商丘師范學院的羅干博士和東華大學的況敏研究員合作,通過以微米級的商業銅粉和鎂粉為原料,直接一步合成了具有高密度有序Cu3-Mg位點的(111)面暴露的納米Cu2Mg金屬間化合物(記為Cu2Mg(111)),能高效地將CO2電還原為乙醇產物。

 

 

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在|jtotal| 為600?mA·cm-2的大電流密度電解時,Cu2Mg(111)催化劑對乙醇產物表現出了優異的法拉第效率,高達76.2?± 4.8%,分電流密度最高為720?± 34?mA·cm-2,是CO2電還原制取乙醇的最佳結果之一。

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密度函數理論計算和原位拉曼光譜表明,Cu2Mg(111)面上的Cu3-Mg位點,電子從Mg轉移到Cu,從而形成?Cu3?--Mg?+。該活性位點能提高*CO的表面覆蓋率,降低*CO–CO偶聯能壘,并穩定乙醇的關鍵中間體*CHCHOH,從而促進C2+產物中的乙醇生成。

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該工作創新性地將堿土金屬引入金屬銅中,并形成納米級別的金屬間化合物,為高效將CO2還原制取乙醇產物提供了一種新的催化劑設計思路。

文信息

(111) Facet-oriented Cu2Mg Intermetallic Compound with Cu3-Mg Sites for CO2?Electroreduction to Ethanol with Industrial Current Density

Dr. Chen Peng,?Jiaxing Ma,?Dr. Gan Luo,?Shuai Yan,?Junbo Zhang,?Yangshen Chen,?Dr. Ning Chen,?Dr. Zhiqiang Wang,?Prof. Wei Wei,?Prof. Tsun-Kong Sham,?Prof. Yao Zheng,?Prof. Min Kuang,?Prof. Gengfeng Zheng

文章的共同第一作者是復旦大學先進材料實驗室2018級直博生彭陳(23年博士畢業,現為阿德萊德大學博士后)和復旦大學化學系2021級本科生馬家興。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202316907

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