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(EEFC)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−1acetate,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6. Ag-Cu2O催化剂合成乙酸的活性和用于MEA性能
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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