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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(shù),是能利用溫室氣體CO2作為反應(yīng)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(yīng)路徑復(fù)雜,當(dāng)前已報(bào)道的銅基催化劑對(duì)乙醇產(chǎn)物的分電流密度一般低于400 mA·cm-2

構(gòu)筑雙金屬銅基材料能有較大范圍調(diào)變催化劑的電子結(jié)構(gòu),從而改變對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的關(guān)鍵中間體的吸附強(qiáng)度,是一種廣泛報(bào)道并行之有效的策略。然而,當(dāng)前報(bào)道的第二組分(另外一種為銅)金屬多為對(duì)CO2還原反應(yīng)具有活性的金屬,如Au、Ag、Zn、Sn、Pd、Bi等,這只能提高對(duì)CO、甲酸/甲酸鹽或乙烯,而不是乙醇產(chǎn)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(xué)反應(yīng)活性,科研工作者很少關(guān)注到它們。其中,金屬鎂在一般環(huán)境下具有較高的化學(xué)惰性;同時(shí),它的陽(yáng)離子具有多價(jià)特性和較小的半徑,被報(bào)道能與*CO2?中間體有較強(qiáng)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(guò)調(diào)整p-band位置,來(lái)提高對(duì)含氧物種的結(jié)合強(qiáng)度。因此,設(shè)計(jì)合成鎂和銅的合金催化劑可能增強(qiáng)CO2還原中乙醇的含氧中間體的吸附強(qiáng)度來(lái)提高乙醇產(chǎn)物的選擇性和活性。

近日,復(fù)旦大學(xué)的鄭耿鋒教授、商丘師范學(xué)院的羅干博士和東華大學(xué)的況敏研究員合作,通過(guò)以微米級(jí)的商業(yè)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(diǎn)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(chǎn)物。

 

 

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在|jtotal| 為600?mA·cm-2的大電流密度電解時(shí),Cu2Mg(111)催化劑對(duì)乙醇產(chǎn)物表現(xiàn)出了優(yōu)異的法拉第效率,高達(dá)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(jié)果之一。

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密度函數(shù)理論計(jì)算和原位拉曼光譜表明,Cu2Mg(111)面上的Cu3-Mg位點(diǎn),電子從Mg轉(zhuǎn)移到Cu,從而形成?Cu3?--Mg?+。該活性位點(diǎn)能提高*CO的表面覆蓋率,降低*CO–CO偶聯(lián)能壘,并穩(wěn)定乙醇的關(guān)鍵中間體*CHCHOH,從而促進(jìn)C2+產(chǎn)物中的乙醇生成。

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該工作創(chuàng)新性地將堿土金屬引入金屬銅中,并形成納米級(jí)別的金屬間化合物,為高效將CO2還原制取乙醇產(chǎn)物提供了一種新的催化劑設(shè)計(jì)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(fù)旦大學(xué)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室2018級(jí)直博生彭陳(23年博士畢業(yè),現(xiàn)為阿德萊德大學(xué)博士后)和復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系2021級(jí)本科生馬家興。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202316907

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