化石燃料的短缺和二氧化碳(CO2)的過度釋放嚴重影響了人類的活動和污染了生態(tài)環(huán)境。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，將CO2轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品對于建立循環(huán)經(jīng)濟至關(guān)重要。電催化CO2還原(CO2RR)是一種緩解能源和環(huán)境問題有前景的方法。在眾多金屬催化劑中，Cu由于其合適的*CO偶聯(lián)強度和對*H中間體的弱吸附能力，被認為是CO2RR產(chǎn)生C2+產(chǎn)物的有效催化劑。然而，CO2RR過程中涉及的多步質(zhì)子轉(zhuǎn)移往往導(dǎo)致對特定產(chǎn)物的選擇性和能量轉(zhuǎn)換效率較低。因此，尋找高選擇性和高效的催化劑，以將CO2還原為高附加值的產(chǎn)品是推動CO2RR實際應(yīng)用的關(guān)鍵。
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所韓布興、華東師范大學(xué)吳海虹和賈帥強等報道了一種簡便的聚四氟乙烯(PTFE)處理策略，合成了一種高效的Cu基CO2RR電催化劑(Cu-[CF2]n-x-CP)。實驗結(jié)果表明，在?1.25 VRHE下，最優(yōu)的Cu-[CF2]5-x-CP催化劑上CO2電還原為C2H4的法拉第效率(FE)約為67.25%，C2H4部分電流密度為36.66 mA cm?2，優(yōu)于Cu-CP和Cu/PTFE-CP電極。同時，該催化劑還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，其在連續(xù)11小時CO2電解過程中FEC2H4和電流密度幾乎未發(fā)生下降，且反應(yīng)后材料的結(jié)構(gòu)也保持良好。光譜表征和理論計算表明，改性的Cu基電極具有超嗜氣性和超疏水性，從而構(gòu)建了具有CO2氣泡/液體電解質(zhì)/電極的“氣-液-固體”微環(huán)境。該微環(huán)境有利于氣態(tài)CO2的捕獲，延長其在電極表面的停留時間。同時，疏水多孔的Cu-[CF2]n-5-CP僅部分接觸電解質(zhì)，增強了CO2的擴散和吸附，增強了活性位點的可及性；并且該催化劑為CO2RR創(chuàng)建了豐富的三相結(jié)，促進了CO2的快速轉(zhuǎn)化。此外，表面潤濕性工程可以調(diào)節(jié)電極表面附近的質(zhì)子和CO2的濃度，電極表面的疏水層抑制了水分子的擴散，導(dǎo)致電極表面的OH?濃度增加，而較高的表面pH值有利于C-C耦合，從而促進了C2H4的生成?？偟膩碚f，該項工作證明了原位合成策略在改性CO2電催化劑反應(yīng)界面微環(huán)境方面的可行性，相信這種策略在金屬基催化劑的設(shè)計和商業(yè)化以及乙烯的商業(yè)生產(chǎn)方面具有更大的實用性和多功能性。Polymer modification strategy to modulate reaction microenvironment for enhanced CO2 electroreduction to ethylene. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202313796
