北京化工大学孙振宇教授课题组：材料不同暴露晶面对二氧化碳电催化还原性能的影响

第一作者：楚森林

通讯作者：孙振宇

通讯单位：北京化工大学化学工程学院

注：此文章是CO₂还原专刊邀请稿，客座编辑：中国科学院化学研究所刘志敏研究员，北京化工大学孙振宇教授。

引用信息

楚森林, 李欣,Robertson Alex W., 孙振宇. CeO₂担载Cu纳米粒子电催化CO₂还原产乙烯：CeO₂不同暴露晶面对催化性能的影响. 物理化学学报, 2021, 37 (5), 2009023.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202009023

Senlin Chu, Xin Li, Alex W. Robertson, Zhenyu Sun. Electrocatalytic CO₂ Reduction to Ethylene over CeO₂-SupportedCu Nanoparticles: Effect of Exposed Facets of CeO₂. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (5), 2009023.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202009023

主要亮点

制备了一系列CeO₂担载Cu纳米粒子电催化剂，通过利用Cu和不同形状的、暴露不同晶面的CeO₂纳米晶之间的相互作用，实现对电化学二氧化碳还原 (ECR)产乙烯的有效调控，从晶面工程角度为高效ECR电催化剂的设计提供了新途径。

研究背景：意义、现状

化石燃料的燃烧释放出大量的二氧化碳(CO₂)，带来严重的气候和环境问题。随着可再生能源发电量的不断增加，利用可再生电能驱动CO₂还原生成高附加值化学品为CO₂资源化利用提供了可持续的、具有应用前景的技术路线。目前，ECR产物主要为C₁产物(CO、甲酸等)，而生成C₂产物(如乙烯)则更具挑战性。Cu基催化剂在ECR生成多碳产物中展现出独特的催化性能，本文利用不同形貌的CeO₂担载Cu纳米粒子(Cu/CeO₂)作为电催化剂，利用Cu与暴露不同晶面的CeO₂纳米晶之间的相互作用来调控ECR生成乙烯的选择性，并在较低过电势(1.13 V)下获得了较高的乙烯法拉第效率(FE: 39.1%)。

核心内容

1  材料形貌和结构分析

用水热法分别制备了不同形状的、暴露不同晶面的CeO₂纳米晶，其中立方体(图1 (a, b))、棒状(图1(c, d))和八面体(图1 (e, f))CeO₂分别暴露(100)、(110) 和(111)晶面。

图1  不同形状CeO₂的TEM和HRTEM图：(a, b) 立方体；(c, d) 棒状；

(e,f) 八面体

由XRD图(图2 (a))可以看出，负载Cu纳米颗粒之后CeO₂ 仍保留良好的晶型，由于Cu纳米颗粒较低的负载量和较小的颗粒尺寸，并未观察到Cu物种的衍射峰，STEM表征发现Cu纳米颗粒尺寸为5 nm左右。XPS谱图(图2(b, c))显示了Cu/CeO₂(110)中氧化态Cu物种(Cu⁺)和Ce⁴⁺的存在。氧化态Cu的形成可能是由于Cu纳米颗粒在空气中的氧化，并且进一步表征发现Cu⁺在三种材料中的含量为Cu/CeO₂(110)>Cu/CeO₂(100)>Cu/CeO₂(111)。

图2  (a) Cu/CeO₂(111), Cu/CeO₂(110)和Cu/CeO₂(100)的XRD图；(b, c) Cu/CeO₂(110)的Cu 2p和Ce 3d XPS谱图

2 ECR性能研究ECR性能测试在H-型电解池中以0.1 mol·L^-1 KHCO₃为电解质进行。对比三种材料的ECR性能可以发现，在−1.05 V (相对于可逆氢电极) 下，Cu/CeO₂(110) 表现出最高的乙烯FE (39.1%)，而Cu/CeO₂(100)和Cu/CeO₂(111)则分别为31.8%和29.6% (图3 (a))。从乙烯分电流密度的Tafel曲线 (图3 (b)) 可以看出，Cu/CeO₂(110)作为电催化剂时生成乙烯的反应动力学比其它两种材料更快。作者将Cu/CeO₂(110)的优越催化性能归因于Cu纳米颗粒与CeO₂(110)晶面之间的相互作用，该相互作用可稳定Cu⁺物种，从而促进C−C键和乙烯的生成。此外，Cu/CeO₂(110)在该电催化体系中具有良好的稳定性，可在−1.05 V下连续6 h保持稳定的乙烯生成速率(图3 (c))。

图3  (a) Cu/CeO₂(100), Cu/CeO₂(110)和Cu/CeO₂(111) 在−1.05V下ECR生成不同产物的FE；(b) 乙烯分电流密度的Tafel曲线；(c)Cu/CeO₂(110) 的稳定性测试

结论与展望

本文通过设计不同形状的CeO₂纳米晶担载Cu纳米粒子，利用Cu和暴露不同晶面的CeO₂之间的相互作用，实现了对ECR产乙烯的有效调控。相比Cu/CeO₂(100)和Cu/CeO₂(111)，Cu/CeO₂(110)可以更好地稳定Cu⁺物种，从而获得更高的ECR生成乙烯FE。该工作从晶面工程角度为高效ECR电催化剂的设计提供了新思路。

☎作者介绍

 孙 振 宇 

北京化工大学教授、博士生导师，材料化工系主任，中国化工学会化学工程专委会秘书长。获中科院化学所理学博士学位，先后在爱尔兰圣三一学院、德国鲁尔波鸿大学、英国牛津大学做博士后研究，曾获德国洪堡奖学金。主要从事CO₂、N₂光电催化相关研究，在Nat. Nanotechnol.等期刊共发表论文130余篇，其中，以第一/通讯作者，在Prog. Mater. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.等期刊发表论文92篇；撰写英文书籍3章节。13篇第一/通讯作者论文入选ESI高被引论文，SCI他引> 11000，入选2018和2019年度英国皇家化学会Top 1%高被引中国作者榜单，入选2019年度中国百篇最具影响国际学术论文、Cell Press出版社2019中国年度论文。曾担任首届基金委-英国皇家学会可持续化学与工程国际学术研讨会秘书长并主持大会闭幕式；担任Chin. J. Catal.期刊的编委、《物理化学学报》、《稀有金属》、Rare Metals期刊的青年编委。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202009023