清華新聞網(wǎng)11月9日電 近日，清華大學(xué)化工系陸奇研究組通過(guò)結(jié)合反應(yīng)活性測(cè)試和表面增強(qiáng)原位紅外光譜技術(shù)揭示了陽(yáng)離子效應(yīng)對(duì)一氧化碳電催化還原的影響。該研究提出了陽(yáng)離子效應(yīng)中存在著電場(chǎng)和非電場(chǎng)組分，它們不僅受到陽(yáng)離子特性的影響，也與電化學(xué)界面的組成相關(guān)。這一研究也為進(jìn)一步理解電化學(xué)界面組成和結(jié)構(gòu)對(duì)電極介導(dǎo)反應(yīng)的影響提供了重要思路。
近幾十年來(lái)，由于人類(lèi)行為導(dǎo)致的氣候變化帶來(lái)了一些系列生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題，但這也加速了新型能源技術(shù)的發(fā)展。尤其在近幾年，我國(guó)的光伏和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)等發(fā)展迅速，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電的價(jià)格已經(jīng)具備了一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。利用可再生能源實(shí)現(xiàn)碳的電催化轉(zhuǎn)化為減緩人為氣候的影響提供了一條切實(shí)可行的解決途徑。電化學(xué)CO2和CO還原反應(yīng)發(fā)生在金屬電極與水溶液的界面處，因此，催化性能同時(shí)受到電極表面和電解液的影響。電解液中的陽(yáng)離子在該反應(yīng)界面處扮演著十分重要的角色，在還原電位下，陽(yáng)離子會(huì)被電化學(xué)界面吸引，雖然陽(yáng)離子影響表面介導(dǎo)電催化反應(yīng)的多種可能的方式已經(jīng)被提出，但由于缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，學(xué)術(shù)界仍沒(méi)有達(dá)成一致的意見(jiàn)。
圖1. (A)在CO飽和的0.1 M不同堿金屬氫氧化物中的光譜數(shù)據(jù)；Cu氣體擴(kuò)散電極進(jìn)行CO電催化轉(zhuǎn)化至不同產(chǎn)物的(B)電流密度和(C)法拉第效率；(D)原位表面增強(qiáng)紅外光譜電化學(xué)池示意圖。
在這項(xiàng)工作中，研究者首先測(cè)試了含有不同堿金屬陽(yáng)離子的電解液中一氧化碳電催化還原(CORR)的性能，數(shù)據(jù)表明堿金屬陽(yáng)離子的性質(zhì)對(duì)多晶Cu催化劑表面的CORR的活性和產(chǎn)物分布有重大影響。在不考慮陽(yáng)離子的水化層的情況下，CORR和析氫反應(yīng)的速率均隨陽(yáng)離子尺寸的增加而增大。CORR產(chǎn)物的法拉第效率也隨著陽(yáng)離子尺寸由Li+變化到K+而增加，但在較大的陽(yáng)離子中基本保持不變。結(jié)合原位紅外光譜研究，研究者發(fā)現(xiàn)不同的陽(yáng)離子導(dǎo)致CO在Cu上的吸附位點(diǎn)分布不同，隨著陽(yáng)離子尺寸由Li+增加到K+，吸附在step site上的CO相對(duì)于吸附在terrace site上的CO的比例逐漸增大，然后在更大的陽(yáng)離子上趨于穩(wěn)定，這一趨勢(shì)與在不同陽(yáng)離子氫氧化物電解液中所測(cè)到的CO吸附的斯塔克調(diào)諧率(Stark tuning rate)的變化規(guī)律相似。由此看出，界面電場(chǎng)強(qiáng)度是導(dǎo)致CORR由Li+變化到K+反應(yīng)活性升高的主要原因，而隨著K+進(jìn)一步變化到Cs+，斯塔克調(diào)諧率和CORR反應(yīng)速率均趨于平穩(wěn)，表明陽(yáng)離子效應(yīng)中存在著非電場(chǎng)成分。該工作結(jié)合了電化學(xué)活性測(cè)試和原位紅外光譜研究，研究者進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了陽(yáng)離子效應(yīng)是電化學(xué)界面組成和結(jié)構(gòu)對(duì)電極介導(dǎo)反應(yīng)的總體影響的一個(gè)重要組成部分，并揭示了陽(yáng)離子效應(yīng)同時(shí)存在電場(chǎng)和非電場(chǎng)組分。
該研究以“理解一氧化碳電催化還原反應(yīng)中陽(yáng)離子效應(yīng)的電場(chǎng)和非電場(chǎng)組分”(Understanding the Electric and Non-Electric Field Components of the Cation Effect on the Electrochemical CO Reduction Reaction)為題，于2020年11月6日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advance)期刊上。論文的共同通訊作者為清華大學(xué)化工系陸奇副教授和美國(guó)特拉華大學(xué)化學(xué)工程與生物分子工程系徐冰君副教授。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd2569
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：呂婷
