為了緩解全球變暖，越來越多的國家和地區(qū)提出了碳中和時間表。二氧化碳（CO2）作為最主要的溫室氣體，它的收集和轉化是碳中和計劃的重要內容。在CO2的化學轉化方法中，CO2電化學轉化（CO2RR）具有綠色，高效，反應條件溫和的優(yōu)點，受到廣泛關注。CO2活化困難，且隨著過電位增加，析氫副反應難以抑制，目前大多數(shù)已報道催化劑仍難以滿足工業(yè)化電流密度要求（>200 mA cm-2）。設計合成在高過電位大電流密度下，高效穩(wěn)定轉化CO2的催化劑，具有重要的科學意義和實用價值。
近日，中國科學技術大學的吳宇恩教授和溫州大學的陳偉教授，設計合成了一種新型CoCu雙原子催化劑，實現(xiàn)了將CO2高效電化學轉化為CO。CO部分電流密度最高可達483 mA cm-2。在100 mA cm-2 ~ 500 mA cm-2的寬電流區(qū)間內，雙原子催化劑的CO選擇性均在90%以上。
選用導電性能優(yōu)秀的導電碳作為載體，常用的鈷銅金屬鹽作為金屬源，尿素作為氮源，經(jīng)過高溫下原子遷移重組，金屬原子便穩(wěn)定的錨定在導電碳基底上，合成得到CoCu雙原子催化劑（CoCu-DASC）。球差電鏡表明，金屬原子均勻的分散在載體上，且觀察到許多原子對，原子間距為0.25 nm左右。 將合成得到的雙原子催化劑進行CO2電還原性能測試。在H型電解池中，CO部分電流密度最高可達31.3 mA cm-2。在-0.4 V ~ -0.9 V的寬電位區(qū)間內，CoCu-DASC的CO選擇性均能維持在90%以上。在流動型電解池中，CoCu-DASC的CO選擇性最高可達99.1%。CO部分電流密度最高可達483 mA cm-2。在100 mA cm-2 ~ 500 mA cm-2的寬電流區(qū)間內，CO選擇性均在90%以上。TOF最高可達91458 h-1，CO生成速率最高可達201.7 L h-1 g-1。經(jīng)過十小時的穩(wěn)定性測試后，CO選擇性仍能保持在95.6%以上。跟對照組催化劑（Co-SAC, Cu-SAC）相比，CoCu-DASC在各個維度均表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。 理論計算表明，跟Co-SAC和Cu-SAC相比，CoCu-DASC不僅可以促進*COOH的形成，還可以增強*CO的脫附，從而加快反應速率，因此表現(xiàn)出更加優(yōu)異的CO2電還原活性。此外，CoCu-DASC(Co)的d帶中心值較為適中，對中間產(chǎn)物的吸附合適，因此具有更好的催化活性。 本工作表明，在單原子催化劑中合理引入另一種金屬原子，可以顯著影響其電子結構，進而提高催化活性。本研究為設計實用、穩(wěn)定、高性能的異核雙原子催化劑提供了一種有效的策略，可以應用于其它的催化體系中。 論文信息 Design of Co-Cu Diatomic Site Catalysts for High-efficiency Synergistic CO2 Electroreduction at Industrial-level Current Density Jun-Dong Yi,+ Xiaoping Gao,+ Huang Zhou, Wei Chen,* Yuen Wu* 文章共同第一作者為伊俊東博士后，高曉平博士后。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202212329
