清華新聞網(wǎng)2月9日電 近期，清華大學(xué)化工系陸奇團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)催化劑，發(fā)展原位光譜技術(shù)和反應(yīng)器，在二氧化碳（CO2）/一氧化碳（CO）電催化反應(yīng)設(shè)計(jì)及機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展，提出并驗(yàn)證了通過(guò)調(diào)控關(guān)鍵中間體CO結(jié)合能提高反應(yīng)活性和選擇性的新見(jiàn)解，為該領(lǐng)域發(fā)展提供了新的思路。
隨著人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)力的高速發(fā)展，工業(yè)排放的大量二氧化碳（CO2）所引發(fā)的全球變暖危機(jī)是人類(lèi)命運(yùn)共同體需要面對(duì)的重要挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)全社會(huì)“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳目標(biāo)，使用可再生能源發(fā)電將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成大宗化學(xué)品是人類(lèi)應(yīng)對(duì)溫室效應(yīng)的一種可行手段?？紤]到目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CO2到CO的高效、高活性轉(zhuǎn)化，如何通過(guò)電催化的方式將CO還原（CORR）成具有更高附加值的高附加值多碳液體產(chǎn)物（乙醇、乙酸和異丙醇等）是所有研究者關(guān)心的重點(diǎn)。
在這項(xiàng)研究中，研究人員從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了催化劑的規(guī)?；苽浜头磻?yīng)池的高功率運(yùn)行。首先，利用高能球磨的方法合成了一系列不同銅銀比例催化劑，并在微流道電解池中測(cè)試了催化劑的CORR活性。研究發(fā)現(xiàn)，銅銀比例為8：2的催化劑在較低過(guò)電勢(shì)（-0.56 V）便可以達(dá)到工業(yè)級(jí)別的電流密度（>130mA/cm2）并對(duì)高附加值多碳液相產(chǎn)物呈現(xiàn)接近了80%的選擇性。為了模擬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，該課題組自主搭建了一臺(tái)100cm2的膜電極反應(yīng)器，以15 A的總電流穩(wěn)定運(yùn)行了100小時(shí)，展現(xiàn)了該催化劑在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中極高的應(yīng)用前景。
銅銀催化劑一氧化碳還原活性(a) 8：2銅銀催化劑、氧化銅催化劑以及粉末銅催化劑的CORR反應(yīng)電流以及對(duì)多碳液相產(chǎn)物的選擇性；(b)不同銅催化劑CORR中的產(chǎn)物選擇性分布；(c)現(xiàn)階段已報(bào)道的先進(jìn)催化劑性能對(duì)比；(d) 8：2銅銀催化劑在100cm2膜電極中性能表現(xiàn)。
為了進(jìn)一步探究催化劑對(duì)高附加值的多碳液相產(chǎn)物選擇性提升的機(jī)理，研究人員借助表面增強(qiáng)紅外光譜（SEIRAS）對(duì)該反應(yīng)的關(guān)鍵吸附中間體進(jìn)行了研究。研究人員自主設(shè)計(jì)了一臺(tái)能夠快速切換電解液的流動(dòng)性紅外電解池，觀(guān)察催化劑的吸附CO峰面積隨時(shí)間的變化情況，并首次測(cè)量了CO在Cu催化劑表面的吸附/解吸動(dòng)力學(xué)，以此推斷Ag金屬能夠促進(jìn)銅催化劑產(chǎn)生CO的弱吸附位點(diǎn)。結(jié)合紅外以及高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射顯微鏡（HAADF-STEM）等表征技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)Cu金屬上的CO弱吸附位點(diǎn)有助于多碳液相產(chǎn)物的生成。
一氧化碳在催化劑上的解吸速率 (a) 自主設(shè)計(jì)的快速切換電解液紅外電解池；(b) CO在氧化銅催化劑和8：2銅銀催化劑上的紅外峰示意圖；(c) CO在氧化銅催化劑和8：2銅銀催化劑解吸速率圖。
該工作以“銅銀界面產(chǎn)生弱吸附CO位點(diǎn)促進(jìn)一氧化碳電還原至液相多碳產(chǎn)物”（Weak CO binding sites induced by Cu–Aginterfaces promote CO electroreduction tomulti-carbon liquid products）為題，于2月8日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊。研究論文共同第一作者為清華大學(xué)化學(xué)工程系2017級(jí)博士生李晶和2020級(jí)博士生熊浩呈，導(dǎo)師為清華大學(xué)化學(xué)工程系陸奇副教授，同時(shí)參與該項(xiàng)研究的還有北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院徐冰君教授以及中科院北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室蘇東研究員。文章的共同通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)工程系陸奇副教授。該項(xiàng)研究工作得到了清華大學(xué)自主科研專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36411-5
供稿：化工系
編輯：陳曉艷
審核：田姬熔
