Nature子刊：Cu-Ag催化剂电催化水还原和甲醛氧化双重制氢

由于缓慢的析氧反应（OER），水电解制氢的广泛应用受到其高电压需求和低能量转换效率的限制。基于此，美国辛辛那提大学孙宇杰教授和加州大学河滨分校De-en Jiang（共同通讯作者）等人报道了一种Cu₃Ag₇电催化剂。

作者以Cu₃Ag₇和Ni₃N/Ni作为阳极和阴极电催化剂构建了一种新型廉价的电催化体系，在碱性条件下驱动甲醛氧化反应（FOR）和析氢反应（HER），能以200%的法拉第效率产生H₂，并在电池电压仅为0.22 V和0.60 V时分别达到100和500 mA/cm²的工业相关电流密度。

在电流密度为100 mA cm⁻²和500 mA cm⁻²时，该催化体系生产H₂的双电极电解槽的能量消耗分别仅为0.30和0.70 kWh/m³ H₂，远低于整体水裂解电解的理论能量需求（2.93 kWh/1 m³ H₂）。

通过DFT计算，作者研究了电催化HCHO氧化过程中关键步骤的结构和能量学。通过C-H裂解脱氢生成HCOOH*和H*生成了H₂C(OH)O*中间体，是关键步骤。

首先，作者比较了H₂C(OH)O*中间体的相对吸附能：在Cu₃Ag₇上的吸附最优，O基团锚定在Cu₂Ag₁的空心位点上；H₂COH基团相对于Cu₂Ag₁位点的明显交错构象，不同于Cu(111)和Ag(111)上更多的重叠构象。

对H₂C(OH)O*在Cu₂Ag₁位点上的锚定O族的投射态密度的分析表明，在-1.5至-1.0 eV之间存在O 2p态与Cu 3d态以及在-6至-5和-4至-3 eV之间存在Ag 4d态的强烈轨道混合。

换言之，双金属表面分离的两个d带的存在为吸附和稳定H₂C(OH)O*中间体提供了更大的灵活性。实际上，从交错吸附构象来看，Cu₃Ag₇上的C-H裂解更加容易。

在C-H裂解后，两个H*在Cu₃Ag₇上形成H₂也很容易：能垒为0.66 eV，鉴于熵的影响，能垒将进一步降低。为完成反应，HCOOH*将从表面解吸，然后在溶液中脱质子生成甲酸盐。

Dual hydrogen production from electrocatalytic water reduction coupled with formaldehyde oxidation via a copper-silver electrocatalyst. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-36142-7.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-36142-7.

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Nature子刊：Cu-Ag催化剂电催化水还原和甲醛氧化双重制氢

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