​Appl. Catal. B：氨基聚合物功能化空心碳球结合银纳米粒子用于通过CO2生产电化学合成气

过度的化石燃料消耗导致大气中二氧化碳含量不断增加，并可能导致灾难性的气候变化，通过减少二氧化碳来实现碳中和是全球可持续发展的一个长期目标。结合可再生能源，电催化二氧化碳还原(CO₂RR)为实现净二氧化碳消除和增值燃料的制备提供了一个有前景的解决方案。在各种CO₂RR产物中，合成气(CO和H₂的混合物)是合成化工的理想原料。

目前合成气主要采用传统工艺生产，包括煤气化、天然气蒸汽重整等，工艺能耗大，反应条件条件恶劣。相比之下，在不受地域限制的温和条件下，仅以CO₂为碳源，以H₂O为氢源的CO₂RR，可以为工业应用提供灵活的平台。虽然CO₂RR取得了令人鼓舞的进展，但仍存在若干挑战。因此，开发高效的、能实现合成气可控合成的电催化剂至关重要。

基于此，大阪大学Yasutaka Kuwahara等人制备了含Ag纳米粒子(NPs)的氨基聚合物功能化空心碳球(Ag-P@HCS)作为生产合成气的活性催化剂，该催化剂也不负众望的展现出优异的催化性能。

本文在CO₂饱和的0.5 M KHCO₃溶液中，使用标准地的三电极体系(气密H型电解池)测试了合成催化剂的CO₂RR性能。根据气相色谱的结果可以发现，H₂是P@HCS的主要电解产物，其几乎不产生CO。与P@HCS不同，含有Ag纳米颗粒的催化剂(即Ag-HCS和Ag-P@HCS)能够产生一定的CO。由此可以推断，Ag NPs可以作为CO生成的活性位点，这与Ag NPs具有相对较弱的CO结合强度有关。

值得注意的是，与Ag-HCS相比，Ag-P@HCS在所有电位下均可观察到较高的拉第效率(FE_CO)，Ag-P@HCS在-0.8 V_RHE时达到最高的FE_CO (70.1%)，是Ag-HCS(15.3%)的4.6倍。更加重要的是，与其他催化剂不同的是，Ag-P@HCS(1.09~2.54)在较宽的电势范围内的CO/H₂比值可以控制在最优的合成气比值范围内，这说明其非常适用于工业生产。

此外，由于不同的氨基聚合物含量，Ag-HCS(0.27)、Ag-0.5P@HCS(0.66)、Ag-P@HCS(2.54)、Ag-2P@HCS(0.98)和Ag-4P@HCS(0.58)在-0.8 V的电位下可以获得可控的CO/H₂摩尔比。如前所述，与Ag-HCS相比，Ag-P@HCS对CO的制备显示出更高的选择性，这是由于氨基聚合物功能化后Ag分散的增加和CO₂亲和力增强所导致的催化剂的催化性能的改变。

综上所述，本文制备了氨基聚合物功能化的空心碳球，并将其与银纳米颗粒结合，以通过电化学CO₂RR合成CO/H₂比例可控的合成气。氨基聚合物的引入显著提高了Ag-HCS的FE_CO，这是由于提高了其对CO₂的吸附能力，降低了电荷转移电阻以及中间产物(CO₂^–)十分稳定。

之后，本文通过优化该催化体系中的氨基聚合物含量，可以得到适合工业生产合成气的生成比，研究结果强调了氨基聚合物在该催化剂体系中的作用，并可能为绿色和可持续能源转化的高性能电催化剂的设计提供启发。

与流动电解池相比，本研究中使用的H型电解池更适合于高性能电催化剂的设计和筛选研究，因为H型电解池更易于操作和快速测试。总之，本文的工作证明了氨基聚合物功能化用于设计高性能CO₂RR电催化剂的潜力。

Aminopolymer-Functionalized Hollow Carbon Spheres Incorporating Ag Nanoparticles for Electrochemical Syngas Production from CO₂, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122713.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122713.