Nat Commun：一种具有类金活性和类铜选择性的过渡金属碳化物用于电催化CO2还原反应

Nanoyu

2021-08-20

电化学CO₂还原反应（eCO₂RR）发展面临的最大挑战是获得一种储量丰富的高活性电催化剂，能够在相对较低的过电位下选择性地产生碳氢化合物。

近日，美国伊利诺伊理工大学Mohammad Asadi，劳伦斯伯克利国家实验室David Prendergast报道了一种二维（2D）过渡金属碳化物材料（W₂C）的eCO₂RR性能。

文章要点

1）研究人员采用先碳化后液相剥离的方法合成了四种M₂C形式的TMCs，即W₂C、Mo₂C、Nb₂C和V₂C 纳米片（NFs），并测试了它们在KOH：CC（3M：2M）电解液中对eCO₂RR的催化性能。TMCs的电催化性能研究表明，这些材料主要对CH₄的生成具有选择性，在所研究的催化剂中，W₂C NFs电催化剂具有最佳的CO₂RR活性。CH₄最大电流密度为−421.63 mA/cm²，法拉第效率为82.7%±2%。电化学结果还表明，在电解液中加入CC可以抑制所有研究的TMC的析氢（HER）副反应，从而促进CO₂RR产物的形成。而NMR和¹³CO₂同位素标记实验证实了CC在电化学实验过程中保持稳定。

2）X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(STEM)等原子和分子尺度表征表明，所有合成的TMCs都具有相似的1T晶格结构，优势晶面为(101)，平均晶粒尺寸基本相同，为25.4 nm。此外，TMCs的电学性质分析表明，W₂C NFs具有优异的电学性质：低功函数；电化学双电层区域小的电荷转移电阻；以及表面W原子的大量还原，这可能是导致观察到的其具有高活性的原因。计算结果表明，与Cu相比，所研究的TMC对CO₂和水具有自发的化学吸附作用。W₂C表现出制取CH₄的最佳性能，具有良好的水和CO₂的吸附能与自发解离耦合，及较低能垒的OH*质子化（这是限制步骤），具有0.483至0.744 V （vs RHE）范围内的低限制电位。

3）利用W₂C NFs，研究人员研制了一种太阳能驱动的液流电解槽，在一次太阳光照射下，该电解槽可以工作700 h，太阳能对CH₄的转换效率和总SFE分别为17.3%和20.7%。使用非贵金属催化剂（W₂C NFs）的太阳能驱动液流电解槽的最高效率达到62.3%，接近商业上相关的CO₂RR电催化剂。这为低成本、可持续地大规模生产可随时随地使用的燃料（来自CO₂）开辟了新的方向。

参考文献

Esmaeilirad, M., Baskin, A., Kondori, A. et al. Gold-like activity copper-like selectivity of heteroatomic transition metal carbides for electrocatalytic carbon dioxide reduction reaction. Nat Commun 12, 5067 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-25295-y

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25295-y