Nature Catal：原位飞行质谱研究电催化CO2还原反应机理

纳米技术

2022-12-17

电化学CO₂还原是一种符合可持续方法制备燃料和化学品的方法，但是目前人们对大电流的气体扩散电极在催化反应的机理并不清楚。

有鉴于此，加州大学伯克利分校Joel W. Ager、剑桥大学Alexei A. Lapkin等报道通过质子转移反应飞行质谱表征技术PTR-TOF-MS，研究Cu电催化剂和气体扩散电极进行流动相CO₂电化学还原反应过程的中间体和产物。

本文要点

（1）

PTR-TOF-MS表征技术能够对C₁-C₄范围内的少量和主要中间体和反应产物实现非常敏感的检测，而且能够对大多数中间体和产物进行精确的定量检测，包括浓度极低仅ppb的中间体。

（2）

机理研究。通过缓慢改变电极电势，精确的确定各种产物的起始生成电压，并且将类似起始电压的产物归结为相同中间体；监控¹³C在反应网络中的分布变化情况，发现产物中的13C含量丰度降低现象（产物的¹³C浓度低于自然丰度）。作者认为这种现象最主要的原因是CO₂活化和C-C偶联。因此，具有相同碳原子数目的产物主要中间体应该具有相似的¹³C含量，通过这个规律能够推测反应网络中各种物种的变化规律和相互关系。

（3）

通过测试中间体和产物的¹³C同位素的含量，精确的测试起始电压，发现生成甲醇和乙醇/乙烯的关键中间体并不是分别为甲醛和乙醛，还发现丙醛还原是生成丙醇的主要过程。

发现电化学CO₂还原反应中产物的¹³C分布的影响比生物光催化CO₂转化或者F-T催化合成烃明显更加显著。

参考文献

Hangjuan Ren, Mikhail Kovalev, Zhaoyue Weng, Marsha Zakir Muhamad, Hongyang Ma, Yuan Sheng, Libo Sun, Jingjing Wang, Simon Rihm, Wanfeng Yang, Alexei A. Lapkin & Joel W. Ager, Operando proton-transfer-reaction time-of-flight mass spectrometry of carbon dioxide reduction electrocatalysis. Nat Catal (2022)

DOI: 10.1038/s41929-022-00891-3

https://www.nature.com/articles/s41929-022-00891-3