太卷了！一天连发两篇Nature子刊

第一作者：Roham Dorakhan、Ivan Grigioni和Byoung-Hoon Lee

通讯作者：Edward H. Sargent院士

通讯单位：加拿大多伦多大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00259-w

【研究背景】

乙酸（CH₃COOH）是一种重要的化工原料，电催化CO₂合成乙酸提供了一种低碳替代方案，但直接还原CO₂会带来CO₂交叉能量损失。其中，通过级联反应电还原一氧化碳（CO）（即CO₂到CO，再CO到乙酸）可避免上述问题，激发了科研人员的研究兴趣。鉴于此，来自多伦多大学Edward H. Sargent院士等人报道了一种催化剂设计策略，并合成了一系列具有不同Ag负载量的Ag-Cu₂O催化剂，以产生不同的活性位点。

【文章要点】

1、在最佳Ag负载量（1% Ag-Cu₂O）下，Ag-Cu₂O催化剂的乙酸法拉第效率（FE）含量达到70%，乙酸局部电流密度峰值为310 mA cm⁻²。将该催化剂用于膜电极组件（MEA）中，全电池能量效率（EE_FC）为25.5%，同时乙酸钠浓度为4.8 wt%。对整个乙酸生产途径的能量分析表明，采用CORR技术的级联反应的总能量强度为93 GJ ton⁻¹_acetate，比560 GJ ton⁻¹（CO₂RR，双极性）和300 GJ ton⁻¹（CO₂RR，中性）更优。

2、通过Operando-拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算，作者提出了一种可以生成乙酸，且能抑制乙烯和乙醇形成的不稳定机制。

【图文展示】

图1.乙酸电合成示意图

 图2. Ag-Cu₂O催化剂的合成与表征

图3.不同Ag-Cu₂O催化剂的电化学性能

图4. AgCu上C₂通道的计算

 图5. 不同Ag-Cu₂O催化剂的表征

 图6. Ag-Cu₂O催化剂合成乙酸的活性和用于MEA性能

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第一作者：Byoung-Hoon Lee、Heejong Shin、Armin Sedighian Rasouli和Hitarth Choubisa

通讯作者：Edward H. Sargent院士、Yung-Eun Sung和Taeghwan Hyeon

通讯单位：加拿大多伦多大学、韩国首尔国立大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41929-023-00924-5

【研究背景】

双-电子（2e^-）氧还原提供了一种低成本和较低能耗的过氧化氢（H₂O₂）合成工艺，但现有的最佳多相电催化剂在电流密度超过300 mA cm⁻²时其H₂O₂性能远远低于工业运行所需效率。鉴于此，来自多伦多大学Edward H. Sargent院士、首尔国立大学Yung-Eun Sung和Taeghwan Hyeon等人报道了一种利用碳纳米管（CNT）基底中的氧官能团与酞菁钴（CoPc）催化剂耦合，以改善CoPc的吸附并防止团聚的超分子方法，并进一步产生一个缺乏电子的Co中心，其与合成H₂O₂的关键中间产物的相互作用向最佳性能调整。

【文章要点】

1、在中性介质中，该催化剂在300 mA cm⁻²下过电位为280 mV，周转频率（TOF）超过50 s⁻¹，比报道的最佳H₂O₂电催化剂的活性提高了一个数量级。此外，该催化剂的性能可以持续100 h以上。能源分析显示，每吨H₂O₂的总能源成本为38 GJ，对比工业蒽醌工艺（67 GJ tonne⁻¹）减少了40%。

2、通过态密度计算等表征，作者发现CNT表面氧官能团的存在加强了CoPc和碳表面之间的π-π相互作用，调节了Co中心的电子密度，从而以一种有利于H₂O₂电催化合成的方式调控其与关键OOH*中间体的相互作用。

【图文展示】

图1.电子调控H₂O₂分子电催化剂的计算研究

图2. CoPc-CNT(O)的合成与结构表征

图3. CoPc-CNT(O)的电化学表征

图4. 流动电池中生产H₂O₂的性能

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