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2024年04月23日
中国科大提出二氧化碳电还原过程中积碳毒化新见解

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心高敏锐教授团队对于铜催化剂在CO2电还原过程中的积碳毒化行为进行了系统研究并提出新理解。相关成果以“Investigation and Mitigation of Carbon Deposition over Copper Catalyst during Electrochemical CO2Reduction”为题发表在以精准为导向的高质量期刊《精准化学》上,并入选当期封面。中国科学技术大学2021级硕士生端木静雯、2021级博士生吴志征和2019级博士生高飞跃为文章的第一作者,高敏锐教授为通讯作者。

铜基催化剂作为最常见的高效电化学CO2还原反应(CO2RR)催化剂,其在高电流密度下的长期稳定性往往不尽人意,制约了CO2电解技术的规模化发展。Cu催化剂失活的原因比较复杂,反应环境中的杂质物种和催化剂的重构导致的活性位点缺失是常见的失活原因。在传统的热催化领域,人们普遍观察到碳沉积会导致严重的催化剂失活。相比之下,在CO2RR领域关于电化学碳沉积的报道很少。当前,CO2RR过程中碳沉积的反应途径和机理存在争议,其碳沉积机理的尚不明确。同时,积碳的结构和影响因素的研究较少,限制了Cu基催化剂稳定性提升策略的研究。

基于此,研究人员利用原位光谱技术和痕量分析技术,证实了在CO2RR过程中多晶Cu箔上积碳的产生和覆盖是直接导致催化剂失活的原因,明确了积碳与外加电位的内在关联。电化学积碳以包覆在催化剂颗粒表面的薄膜状形态存在,结构和组成接近于无定形碳。这种类型的碳的导电性和传质能力较差,阻碍了CO2RR过程中的反应气体和中间体传输。基于系列控制实验结果,研究人员阐明了积碳生成的机理:在CO2RR过程中,关键中间体*CO结合质子形成*COH中间体,*COH中间体进一步与质子结合,然后脱H2O形成吸附*C。吸附*C作为一般中间体,既可以与*CH加氢生成CH4,也可以直接解吸形成沉积碳。

图.该工作被《精准化学》杂志选为封面文章

相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划、国家杰出青年科学基金等项目的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/prechem.4c00002

(微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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