Nature Catalysis: 在氟修饰的铜上通过氢辅助的C-C键偶联将CO2电催化还原为乙烯和乙醇！

小向日葵

2020-04-21

将二氧化碳转化为燃料和化学物质具有巨大的潜力，可以减少化石资源的消耗并减少碳排放量。由二氧化碳合成多碳（C₂₊）产品（例如乙烯和乙醇）具有很大的吸引力，因为这些产品在化学和能源行业中具有多功能性。电催化将CO₂还原为多碳（C₂₊）产品是利用CO₂的极具希望的途径。但是，由于在高CO₂转化率下C₂₊选择性有限，C₂₊产品的收率仍然很低。有鉴于此，厦门大学的王野教授，程俊教授以及张庆红教授开发了一种氟修饰的铜催化剂，该催化剂在电催化CO₂还原成C₂₊（主要是乙醇和乙烯）产物中表现出优异的性能。

本文要点

1）通过溶剂热法合成的Cu(OH)F前驱体，随后通过电还原法制备了氟修饰的铜催化剂，XPS表征确定催化剂表面氟的含量为~6mol%。

2）使用气体扩散电极的流通池对氟修饰的铜催化剂进行电催化CO₂RR性能测试，主要由产物为乙烯和乙醇组成的C₂₊产物。F-Cu催化剂在-0.54 V vs.RHE下的电流密度为800 mA cm^-2时，C₂₊产物的FE为84％。 ECE达到55％。在−0.89 V vs.RHE下，0.75 M KOH中，电流密度达到1600 mA cm^-2，C₂₊ FE为80％，C₂₊生成速率为4,013 μmol h^-1 cm^-2，这是迄今为止的最高值。此外，基于摩尔碳的C₂₊选择性达到了85.8％（乙烯为65.2％，乙醇为15％），单程C₂₊收率为16.5％。

3）对卤素改性的铜催化剂如何将CO₂RR电催化生成C₂₊，提出了氢辅助的C-C耦合机理。吸附的CO和CHO物种是关键的反应中间体，H₂O活化为特别的氢物种也是很重要的一步。卤素促进了H₂O的活化，CO的吸附和卤素在铜表面的吸附也促进了CO的氢化，吸附的CHO物种的耦合可以很容易地在铜表面上进行。

4）此发现为设计具有实际应用潜力的高活性和选择性CO₂电还原催化剂提供了机会。

Wenchao Ma et al， Electrocatalytic reduction of CO₂ to ethylene and ethanol through hydrogen-assisted C–C coupling over fluorine-modified copper. Nat. Catal. (2020)

DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-020-0450-0