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電化學(xué)重構(gòu)負(fù)載在垂直石墨烯的銅納米顆粒，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高附加值二氧化碳還原產(chǎn)物的選擇性調(diào)控

第一作者：馬志鵬 博士

通訊作者：韓兆軍*，Rose Amal*

單位：澳大利亞新南威爾士大學(xué)

研究背景

銅基材料因其對(duì)碳一及多碳產(chǎn)物的選擇性而被認(rèn)為是非常獨(dú)特的一種二氧化碳還原催化劑。盡管如此，因?yàn)殂~基催化劑上二氧化碳還原的反應(yīng)路徑過(guò)于復(fù)雜，其對(duì)單一產(chǎn)物的高選擇生產(chǎn)很少能夠在銅基催化劑上實(shí)現(xiàn)。很多基于實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的工作表明，二氧化碳還原過(guò)程中的中間產(chǎn)物，如*COOH和*OCHO，對(duì)銅基催化劑二氧化碳還原的產(chǎn)物選擇性具有決定性的作用。

然而，很少有研究通過(guò)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)銅基催化劑來(lái)促進(jìn)特定中間產(chǎn)物的生成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)物選擇性的控制。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種還原-氧化-還原的催化劑處理方法，通過(guò)氧化還原的過(guò)程來(lái)促進(jìn)銅催化劑表面的重構(gòu)，這項(xiàng)工作第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)*COOH和*OCHO中間產(chǎn)物及其最終產(chǎn)物的高效生產(chǎn)。本文中催化劑重構(gòu)的策略為未來(lái)催化劑的設(shè)計(jì)和二氧化碳還原機(jī)理的研究提供了方向。

文章簡(jiǎn)介

在這里，來(lái)自澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）的韓兆軍博士與新南威爾士大學(xué)的Rose Amal院士，在國(guó)際知名期刊ACS Catalysis上發(fā)表題為“Reconstructing Cu Nanoparticle Supported on Vertical Graphene Surfaces via Electrochemical Treatment to Tune the Selectivity of CO2 Reduction toward Valuable Products”的文章。該文章報(bào)道了一種負(fù)載于垂直石墨烯上銅基催化劑的重構(gòu)改性方法：還原-氧化-還原預(yù)處理法，實(shí)現(xiàn)了銅基催化劑對(duì)二氧化碳還原活性的提高和選擇性的控制。

圖1. 通過(guò)調(diào)節(jié)催化劑預(yù)處理的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)催化劑的重構(gòu)改性，進(jìn)而控制催化劑上不同的反應(yīng)路徑

要點(diǎn)一：銅基催化劑選擇性提高

通過(guò)還原-氧化-還原預(yù)處理方法的電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)催化劑晶體缺陷，氧空位，不飽和配位金屬點(diǎn)位的可控生成，進(jìn)一步得到了高甲酸選擇性的催化劑和以*COOH為中間媒介產(chǎn)物的高選擇性催化劑。

要點(diǎn)二：催化劑重構(gòu)的動(dòng)態(tài)研究

首次通過(guò)原位同步輻射衍射研究，直接觀察到了催化劑重構(gòu)過(guò)程中的氧化-還原/無(wú)定形化-重結(jié)晶過(guò)程，揭示了催化劑在重構(gòu)過(guò)程中催化劑氧化態(tài)和晶界形成的動(dòng)態(tài)變化。

要點(diǎn)三：催化機(jī)理的理論計(jì)算

結(jié)合原位表征和非原位表征手段，準(zhǔn)確構(gòu)建了Cu(111)/Cu2O(112)界面模型，揭示了其在調(diào)節(jié)不同二氧化碳還原反應(yīng)路徑的重要作用。

原文鏈接：

Reconstructing Cu Nanoparticle Supported on Vertical Graphene Surfaces via Electrochemical Treatment to Tune the Selectivity of CO2 Reduction toward Valuable Products

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c05431