以可再生電能為動(dòng)力的CO2/CO(CO2/CORR)電化學(xué)還原反應(yīng)已經(jīng)成為生產(chǎn)高價(jià)值產(chǎn)物的有效策略。Cu基催化劑表現(xiàn)出良好的CO吸附強(qiáng)度，促進(jìn)了C-C偶聯(lián)和C2+的生成。盡管在將CO轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)品方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但對(duì)多碳產(chǎn)品(Cn，n≥3)實(shí)現(xiàn)更高的選擇性和反應(yīng)速率仍然是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。產(chǎn)生多碳化合物的一個(gè)關(guān)鍵因素是提高催化劑表面的*CO覆蓋率()，從而促進(jìn)與*C2中間體的偶聯(lián)。
然而，過量的*CO吸附可以抑制C-C偶聯(lián)，導(dǎo)致析氫反應(yīng)(HER)作為副反應(yīng)，這限制了C3產(chǎn)物的選擇性改善，特別是在較高的過電位下。因此，設(shè)計(jì)催化劑要考慮增加表面θCO，同時(shí)確保有效的C-C偶聯(lián)用于CO到C3的轉(zhuǎn)化，特別是在高電流密度下。近日，復(fù)旦大學(xué)張波和Guo Wen等利用N2等離子體處理CuO表面，制備出晶格應(yīng)變穩(wěn)定的N摻雜Cu (LSN-Cu)催化劑，并將其用于有效催化CO還原。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在流動(dòng)池中，LSN-Cu催化劑在?5.3 V下催化CO轉(zhuǎn)化為正丙醇的法拉第效率為54±3%。部分電流密度為71±7 mA cm-2，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的催化劑。此外，基于LSN-Cu的MEA電解槽能夠在300 mA cm-2的高電流密度下連續(xù)進(jìn)行CORR反應(yīng)180小時(shí)，施加的全電池電壓約為2.61 V，正丙醇的法拉第效率維持在35%左右。結(jié)果表明，穩(wěn)定性測試結(jié)束后，LSN-Cu催化劑的形貌和結(jié)構(gòu)基本保持不變，顯示出巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。一系列表征結(jié)果和理論計(jì)算表明，LSN-Cu催化劑上富含缺陷的結(jié)構(gòu)顯著提高了表面*CO的覆蓋率，這對(duì)于通過*C2中間體和另外一個(gè)*CO之間的耦合促進(jìn)擴(kuò)展的碳鏈形成至關(guān)重要。同時(shí)，晶格壓縮應(yīng)變穩(wěn)定了N摻雜劑，顯著提高了C-C耦合效率。增強(qiáng)的*CO覆蓋率和改進(jìn)的C-C耦合之間的協(xié)同作用能夠有效地平衡*CO吸附和C-C耦合之間的動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致正丙醇產(chǎn)量的增加。總的來說，該項(xiàng)工作不僅揭示了LSN-Cu對(duì)C3化合物的選擇性催化作用，而且還為今后長碳鏈化合物的合成開發(fā)鋪平了道路。High-efficiency C3 electrosynthesis on a lattice-strain-stabilized nitrogen-doped Cu surface. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-51478-4
