北理工團(tuán)隊(duì)在高效二氧化碳還原領(lǐng)域取得研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-12-22 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)徐寶華教授團(tuán)隊(duì)在構(gòu)筑聚離子液體-銀（PIL-Ag）雜化材料用于高效電催化二氧化碳（CO2）制一氧化碳（CO）方面取得重要進(jìn)展,，相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際化學(xué)工程領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Chemical Engineering Journal》上，題為“Efficient electrocatalytic reduction of CO2 to CO on highly dispersed Ag nanoparticles confined by Poly(ionic liquid)”,。北京理工大學(xué)為唯一作者通訊單位,，化學(xué)與化工學(xué)院徐寶華教授為該論文的通訊作者，段國(guó)義預(yù)聘助理教授為該論文的第一作者,。
電催化二氧化碳還原（CO2RR）技術(shù)能夠在溫和條件下,，以可再生電力為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)CO2的轉(zhuǎn)化與利用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)具有重要意義,。在所有的轉(zhuǎn)化模式中,，電催化CO2至CO轉(zhuǎn)化由于具有原料利用率高、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛以及生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì),，被科學(xué)界持續(xù)關(guān)注,。開(kāi)發(fā)高活性、高選擇性,、高穩(wěn)定性的電催化劑是進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的重要前提,。Ag具有適中的*COOH中間體活化能、較弱的CO吸附能和較低的析氫活性,，被認(rèn)為是最具潛力的活性金屬,。多種策略被用于提高Ag基材料的CO2RR性能，其中,，對(duì)Ag進(jìn)行表面修飾能夠顯著提高CO選擇性（>80%）,，但偏電流密度較小（<50 mA cm–2）,，且催化穩(wěn)定性研究較少,。
在前期工作中，徐寶華教授團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了系列PIL-單金屬/雙金屬雜化材料,，實(shí)現(xiàn)了大電流密度,、高選擇性、高穩(wěn)定性的電催化CO2/CO至C2+產(chǎn)物轉(zhuǎn)化,，揭示了PIL-金屬界面性質(zhì)對(duì)反應(yīng)路徑的調(diào)控以及PIL對(duì)金屬高度分散的作用（ Angew. Chem. Int. Ed. , 2022, 61: e202110657,； Appl. Catal. B. Environ. , 2021, 297: 12047； Appl. Catal. B: Environ. , 2022, 313: 121459,； Chem. Eng. J., 2023 , 451: 138491,； Fundamental Research , 2022, 2: 937）。在本工作中,，通過(guò)簡(jiǎn)單浸漬法在PIL中引入Ag鹽,，合成了系列PIL-Ag雜化材料。PIL對(duì)于原位生成的高分散Ag–Cl物種具有顯著的限域效應(yīng),。PIL中陽(yáng)離子骨架結(jié)構(gòu)與Ag鹽種類直接影響Ag(I)絡(luò)合物,、Ag–Cl簇和Ag–Cl納米粒子的形成與演化,。得益于PIL中高度分散的咪唑-吡啶-咪唑三齒螯合位點(diǎn)與適當(dāng)?shù)腁g+供給速率，制備了最優(yōu)的[email protected]雜化材料,。在1 M KOH溶液中,，–0.91 V（相對(duì)可逆氫電極）電位下，實(shí)現(xiàn)了96.8%的高CO法拉第效率與207.0 mA cm–2的偏電流密度,。此外,，該催化劑在100 mA cm–2下持續(xù)電解100小時(shí)依然保持較高的CO法拉第效率（~86%），體現(xiàn)了優(yōu)秀的催化穩(wěn)定性,。機(jī)理研究表明,，盡管三種Ag–Cl物種具有相似的內(nèi)在活性，但Ag–Cl物種的分散形式,、活性位點(diǎn)的數(shù)量以及反應(yīng)物的傳質(zhì)共同決定了高反應(yīng)速率下表現(xiàn)出的表觀電催化性能,。
圖1 不同Ag浸漬量下PIL-Cl@AgOAc雜化材料的結(jié)構(gòu)表征結(jié)果
結(jié)構(gòu)表征表明Ag的浸漬量影響Ag–Cl物種的存在形式：小浸漬量時(shí)以Ag(I)絡(luò)合物為主，中等浸漬量時(shí)以Ag–Cl簇為主,，大浸漬量時(shí)則以Ag–Cl納米顆粒為主,。TEM結(jié)合XRD揭示了Ag–Cl納米顆粒為罕見(jiàn)的六方晶相AgCl，表明PIL骨架結(jié)構(gòu)對(duì)Ag–Cl納米顆粒的形成具有限域效應(yīng),。
圖2 不同Ag浸漬量下PIL-Cl@AgOAc雜化材料的CO2RR性能以及[email protected]生成CO的法拉第效率,、偏電流密度和穩(wěn)定性與文獻(xiàn)報(bào)道的其它先進(jìn)催化劑對(duì)比
性能評(píng)價(jià)顯示不同Ag浸漬量對(duì)電催化CO2至CO轉(zhuǎn)化的選擇性與活性影響非常顯著。動(dòng)力學(xué)（Tafel）分析則揭示了不同浸漬量時(shí)活性位點(diǎn)的內(nèi)在活性區(qū)別較小,。通過(guò)與文獻(xiàn)報(bào)道的其他先進(jìn)催化劑對(duì)比表明,，最優(yōu)的[email protected]催化劑體現(xiàn)出優(yōu)秀的選擇性、活性與催化穩(wěn)定性,。進(jìn)一步研究表明,，PIL中陽(yáng)離子骨架結(jié)構(gòu)與Ag鹽的種類通過(guò)影響PIL-Ag相互作用強(qiáng)度和Ag+供給速度來(lái)影響Ag–Cl物種的存在形式。Ag–Cl納米顆粒在大電流密度下的CO選擇性衰減較慢,，CO選擇性的總體高低與Ag–Cl納米顆粒的數(shù)量密切相關(guān),；Ag–Cl簇體現(xiàn)較高的初始CO選擇性，但難以在大電流密度下維持高選擇性,。
圖3 原位拉曼光譜分析,、不同Ag–Cl物種演化規(guī)律以及影響表觀CO2RR性能的因素
原位拉曼光譜研究發(fā)現(xiàn)在施加一定陰極電位后（還未發(fā)生CO2RR時(shí)），各類Ag–Cl物種便被還原為金屬態(tài)的Ag(0)物種,，這些Ag(0)物種被認(rèn)為是發(fā)生CO2RR的實(shí)際活性表面,。不同Ag–Cl物種的演化規(guī)律可被總結(jié)為：PIL提供的高度分散的錨點(diǎn)，即PIL的豐富螯合位點(diǎn)和密集靜電網(wǎng)絡(luò),，利于在引入較少Ag鹽時(shí)生成Ag(I)絡(luò)合物；隨后,，以適中速度擴(kuò)散的Ag+陽(yáng)離子和PIL中Cl–離子進(jìn)一步反應(yīng),，使Ag(I)絡(luò)合物向Ag–Cl簇轉(zhuǎn)化,；然而，Ag–Cl納米顆粒的形成則需要持續(xù)但緩慢的Ag+陽(yáng)離子供應(yīng)與相對(duì)較弱的PIL-Ag相互作用,。不同雜化材料在大電流密度下的表觀CO2RR活性不僅與Ag活性位點(diǎn)的存在形式及數(shù)量有關(guān),，還與不同PIL結(jié)構(gòu)與組成導(dǎo)致的反應(yīng)物（即CO2和H2O）的有效供給密切相關(guān)。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目,、面上項(xiàng)目的資助以及化學(xué)電源與綠色催化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持,。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722063902
附作者簡(jiǎn)介：
徐寶華，化學(xué)與化工學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師,。主要從事離子液體雜化材料設(shè)計(jì)、制備與綠色催化新過(guò)程研究,。主持國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目,、優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院以及企業(yè)合作項(xiàng)目10余項(xiàng),。發(fā)表包括 J. Am. Chem. Soc. ,、Angew. Chem. Int. Ed. 、 Appl. Catal. B-Environ. ,、Chem. Eng. J. ,、Green Chem. 在內(nèi)的論文80余篇；申請(qǐng),、授權(quán)發(fā)明專利15項(xiàng),、PCT 專利1項(xiàng)。
段國(guó)義,，化學(xué)與化工學(xué)院預(yù)聘助理教授,，碩士生導(dǎo)師。主要從事能源小分子多相電催化轉(zhuǎn)化相關(guān)的催化劑與反應(yīng)器研究,。參與多項(xiàng)國(guó)家級(jí)及省部級(jí)項(xiàng)目以及企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目,。在 Angew. Chem. Int. Ed. 、Appl. Catal. B-Environ. ,、Chem. Eng. J. ,、Prog. Energ. Combust. Sci. 、J. Clean. Prod. ,、ChemSusChem 等期刊上發(fā)表論文10余篇,。
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