可再生電能驅(qū)動(dòng)的CO2還原反應(yīng)(CO2RR)是緩解氣候惡化、實(shí)現(xiàn)碳閉環(huán)的有效策略。在CO2RR的眾多產(chǎn)品中，多碳(C2+)產(chǎn)物具有較高的能量密度和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。銅(Cu)是CO2RR反應(yīng)中研究最廣泛的電催化劑，其可以選擇性生產(chǎn)C2+產(chǎn)物。
最近的研究表明，與純Cu相比，Cu基雙金屬電催化劑具有更好的C2+選擇性和活性，這是由于次級(jí)金屬通過獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、應(yīng)變效應(yīng)或幾何效應(yīng)穩(wěn)定了關(guān)鍵中間體，進(jìn)而增強(qiáng)了C-C耦合步驟。
值得注意的是，雙金屬電催化劑的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在CO2還原條件下，這些電催化劑傾向于進(jìn)行電化學(xué)重構(gòu)，導(dǎo)致CO2RR的選擇性和活性不可控。因此，構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的Cu基電催化劑對(duì)于實(shí)現(xiàn)CO2RR的高選擇性和活性至關(guān)重要。
考慮到優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和對(duì)含氧中間體的強(qiáng)結(jié)合能力，天津大學(xué)翁哲和美國俄勒岡州立大學(xué)馮振興等使用鎳氧化物(Niδ+物種)而不是金屬Ni原子與Cu進(jìn)行結(jié)合，并成功地在CO2RR過程中原位構(gòu)建了具有豐富界面的NiOOH/Cu電催化劑。
原位光譜表征和理論計(jì)算表明，NiOOH/Cu界面結(jié)構(gòu)在CO2RR過程中保持穩(wěn)定，并顯著增加了*CO的吸附；同時(shí)，帶正電荷的中心原子Ni使末端O的電子密度極化，由此產(chǎn)生的懸垂碳中心被表面Cu原子穩(wěn)定，這為穩(wěn)定*OCCO中間體提供了雙重位點(diǎn)，降低了*CO二聚化的能壘。
性能測試結(jié)果顯示，NiOOH/Cu電催化劑在400 mA cm-2電流密度下的C2+法拉第效率(FE)為86.3±3.0%，C2H4的選擇性保持在50%以上；并且該催化劑在200 mA cm-2電流密度下連續(xù)運(yùn)行5小時(shí)以上仍保持較高的活性，反應(yīng)后材料的結(jié)構(gòu)和形貌幾乎未發(fā)生變化，表現(xiàn)出優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。
綜上，這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了NiOOH/Cu界面在提高CO2RR活性和選擇性中起到的作用，為構(gòu)建各種穩(wěn)定的金屬氧化物/Cu界面結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)CO2RR中不同產(chǎn)物的高選擇性提供了參考。
Sustainedly high-rate electroreduction of CO2 to multi-carbon products on nickel oxygenate/copper interfacial catalysts. Advanced Energy Materials, 2024. DOI: 10.1002/aenm.202400827
