綠色電力驅(qū)動(dòng)CO2電還原制備燃料和化學(xué)品是推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型的一種有效途徑。目前，銅（Cu）是電化學(xué)制備多碳產(chǎn)物最有效的催化劑。然而相關(guān)反應(yīng)涉及多步質(zhì)子/電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，動(dòng)力學(xué)緩慢，且與析H2反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)。此外，由于CO2在水中的溶解度低，催化劑表面CO2濃度通常不足，導(dǎo)致析H2嚴(yán)重。
近年來(lái)，疏水性在電池、分離和催化等多個(gè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。對(duì)于水溶液中的電化學(xué)CO2還原反應(yīng)，疏水性可以在催化劑附近形成氣-液-固三相界面（TPI），從而增加CO2的局部濃度，同時(shí)降低催化劑對(duì)水的可及性，最終提高碳基還原產(chǎn)物的選擇性。在催化劑上引入疏水物質(zhì)，比如聚四氟乙烯（PTFE），是構(gòu)建TPI的普遍方法。PTFE的疏水性卻很難得到充分的利用，因?yàn)榻^大多數(shù)情形下PTFE的引入只能形成有限的TPI。理想的情形是每個(gè)催化劑顆粒上都修飾有TPI，然而，由于目前合成策略的限制，這點(diǎn)尚未實(shí)現(xiàn)。此外，CO2電還原性能還受其他關(guān)鍵性質(zhì)影響，包括導(dǎo)電性、傳質(zhì)、催化劑負(fù)載量和催化劑可及性，而這些性質(zhì)在廣泛使用的粉末催化劑中通常受到限制。
近日，香港城市大學(xué)樓雄文教授和新加坡南洋理工大學(xué)研究人員發(fā)展了一種超疏水、高導(dǎo)電性的由CuO納米球、PTFE和碳納米管(CNT)組成的纖維膜催化劑，其中幾乎所有的CuO納米球都鑲嵌于超疏水且導(dǎo)電的PTFE納米纖維表面。因而幾乎全部CuO納米球都修飾有TPI，實(shí)現(xiàn)了TPI效率的最大化，極大地提高了CuO表面的CO2濃度，突破了傳統(tǒng)方法只能創(chuàng)造少量TPI的局限性。同時(shí)得益于該膜催化劑優(yōu)異的導(dǎo)電性、傳質(zhì)特性、CuO的高度可及性和高負(fù)載量，其電催化CO2還原的多碳產(chǎn)物選擇性和分電流密度相比于未修飾的CuO得到了極大提高。
首先，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備由Cu2O納米球、PTFE納米顆粒、CNT和聚環(huán)氧乙烷組成的纖維膜前驅(qū)體，然后在空氣中退火得到超疏水、高導(dǎo)電性的纖維膜催化劑CuO/F/C(w)。 CuO納米球幾乎全部鑲嵌在超疏水PTFE納米線表面，使絕大部分CuO具有TPI，保證充分的CO2供給。同時(shí)CNT良好的分散在PTFE納米線中，使整個(gè)纖維膜具備良好的導(dǎo)電性。 該膜催化劑實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)CO2還原制備多碳產(chǎn)物的性能，多碳產(chǎn)物選擇性和分電流密度分別達(dá)到56.8%和68.9 mA cm-2 (-1.4 V vs. RHE)，遠(yuǎn)超未修飾CuO的10.1%和13.4 mA cm-2，同時(shí)穩(wěn)定性也得到顯著改善。 該工作發(fā)展了一種簡(jiǎn)單精細(xì)的合成策略，成功制備了超疏水的導(dǎo)電纖維膜催化劑，首次實(shí)現(xiàn)了TPI效率的最大化，極大地提高了CuO表面的CO2濃度，顯著提升了電化學(xué)CO2還原制備多碳產(chǎn)物的綜合性能。該策略有望拓展至更廣泛的同時(shí)需要疏水性、導(dǎo)電性和其他特性的材料系統(tǒng)。 論文信息 Superhydrophobic and Conductive Wire Membrane for Enhanced CO2 Electroreduction to Multicarbon Products Yunxiang Li, Zhihao Pei, Deyan Luan, and Xiong Wen (David) Lou* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202302128
