中山大学方萍萍&厦大李剑锋团队：工况拉曼光谱研究——银纳米线高选择性电催化二氧化碳制乙醇

中山大学方萍萍和厦门大学李剑锋团队在银纳米线（Ag NWs）上进行电催化二氧化碳还原，实现了在-0.95 V vs. RHE时高达85%的乙醇法拉第效率（FE）。工况拉曼光谱分析发现，部分氧化的Ag NWs表面有高覆盖率*CO中间体有利于C-C耦合，促进了乙醇的形成。密度泛函理论计算证明，在部分氧化Ag NWs表面*CO与*CHO耦合为*COCHO中间体的反应能小于在Cu表面的反应能。

电化学将二氧化碳转化为液体燃料提供了一种在燃料和化学品生产中储存可再生能源的有效方法。目前，已经有非常多的金属/非金属电催化体系能够电催化CO₂为高能量密度的C₂₊产物，已有的研究指出，金属催化剂中只有Cu基金属能够高效产生C₂₊产物。然而，Cu基催化剂的产物选择性差，副产物种类多，较难实现单一C₂产物的高选择性，有效地将二氧化碳转化为乙醇仍然极具挑战性。

最近，方萍萍和李剑锋团队报道了在部分氧化Ag NWs上电催化二氧化碳还原实现了−0.95 V vs. RHE时高达85%的乙醇法拉第效率。而以往的研究报道都表明，Ag催化剂在较低的过电位下高选择性电催化还原CO₂为CO，使用表面添加剂设计催化体系可接近100%的选择性。值得注意的是，X射线光电子能谱和电化学实验结果都证明，这种Ag NWs是部分氧化的。工况拉曼光谱分析发现，重要的CO中间体吸附在部分氧化的Ag NWs上，高覆盖率*CO中间体有利于C-C耦合，促进了乙醇的形成。密度泛函理论计算证明，在部分氧化Ag NWs表面*CO与*CHO耦合为*COCHO中间体的反应能小于在Cu表面的反应能，因而这是部分氧化Ag NWs上形成C₂产物的最有利途径，这就解释了为什么部分氧化Ag NWs的乙醇FE可以超过Cu。生成C₂₊产物的第一步都是两个*CO间的C-C耦合，催化剂性能的提高与催化剂表面*CO吸附能和*CO覆盖率的提高有关，本文所报道的基于部分氧化的银基催化剂电催化二氧化碳还原的实验和理论计算结果为设计高效催化剂和研究提高催化剂选择性机理提供了新的思路。

论文共同第一作者为中山大学刘琼、河南师范大学张霞光、厦门大学杜梓毓，通讯作者为中山大学方萍萍教授和厦门大学李剑锋教授。详见：Qiong Liu, Xia-Guang Zhang, Zi-Yu Du, Can-Jun Zou, Huan-Yu Chen, Yu Zhao, Jin-Chao Dong, Ping-Ping Fang*, Jian-Feng Li*. Converting CO₂ to Ethanol on Ag Nanowires with High Selectivity Investigated by Operando Raman Spectroscopy. Sci. China Chem., 2023, 66(1), 259-265.

扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。

 扫描二维码免费阅读全文

【通讯作者简介】

方萍萍 中山大学化学系副教授，博士生导师。2011年6月分别获得厦门大学和法国巴黎第六大学（索邦大学）博士学位，师从田中群院士和Christian Amatore院士；2011年7月至2013年6月在瑞士洛桑联邦理工学院化学系Hubert Girault研究组从事博士后研究。2013年7月加入中山大学，主要致力于谱学电化学、能源环境分析、纳米能源催化的构筑与合成、表面增强拉曼光谱等领域的研究。

李剑锋 厦门大学化学化工学院教授、能源学院副院长。2003年本科毕业于浙江大学；2010年在厦门大学获得博士学位；2011-2014年分别在瑞士伯尔尼大学和瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。主要研究领域为表面增强拉曼光谱、电化学与电化学能源、界面催化、能源表征与分析、公共安全和医疗健康的拉曼快检技术等。

【扩展阅读】