Angew:电化学阳离子交换法设计高活性二氧化碳还原催化剂

newbee

2020-03-01

电催化还原法将二氧化碳转化为碳基燃料和化学原料，为碳循环提供了新的途径，同时也减轻了化石燃料的消耗和二氧化碳排放的增长。但是，CO₂还原反应（CO₂RR）对电催化剂的要求非常苛刻，必须低成本并且牢固，高效同时选择性好。金属氧化物/硫化物因其可原位电化学转化高活性电催化物质，而被认为是最有前景的CO₂还原反应（CO₂RR）预催化剂之一。然而，为了进一步提升其性能，还需要能够精细控制预模板，并对活性物种组成和结构（例如晶界（GBs）和配位缺陷（USs））进行表征的新策略。为了应对这一挑战，以色列本古里安大学Idan Hod等人开发了一种新颖的电化学驱动阳离子交换（ED-CE）法，能够将预设计的CoS₂模板转化为CO₂RR催化剂Cu₂S。这项研究为可控制备纳米晶金属硫化物中所需的CO₂RR活性位点提供了新指南，也为使用CE反应合理设计用于各种能量转换过程的先进电催化剂打开了大门。

本文要点：

1） 通过ED-CE法制备的Cu₂S催化剂继承了CoS₂的原始三维形貌，并保留了其高密度的GBs。可以通过精确调控催化剂的相结构，组成和USs密度来合理设计活性CO₂RR位点。

2） 原位EQCM监测与全面的结构和组成表征，揭示了电化学参数与ED-CE反应程度之间存在明显的相关性。因此，使用ED-CE可以系统地调节纳米催化膜中二元阳离子的比例，保留其初始结构特征。

3） 制备的Cu₂S催化剂使CO₂转化为甲酸盐的法拉第效率超过87％，因此具有创纪录的高活性（相比于以往报道基于铜的催化剂）。

Wenhui He, et al. Electrochemically‐Driven Cation Exchange as a Powerful Tool for Rational Design of Active CO2 Reduction Electrocatalysts, Angew. Chem. 2020

DOI: 10.1002/ange.202000545

https://doi.org/10.1002/ange.202000545