王功伟/庄林/李振ACS Catalysis：非晶态NxC层在Ag纳米催化剂上促进CO2深度还原成碳氢化合物

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王功伟/庄林/李振ACS Catalysis：非晶态NxC层在Ag纳米催化剂上促进CO2深度还原成碳氢化合物
以可持续和对环境负责的方式满足日益增长的全球能源需求是我们这个时代的一项重大挑战。化石燃料的使用虽然极大地促进了人类的发展和进步，但也造成了以大量二氧化碳排放为首的严重的环境污染和全球变暖。
将CO2转化为具有高附加值的化工产品和燃料是解决环境污染和能源短缺问题的一条有前景的途径。如今，催化剂的发现和发展以及电解液和电解添加剂对催化性能的影响成为了主要的话题。
在已报道的CO2还原反应(CO2RR)电催化剂中，主要有三类：第一类催化剂以甲酸盐为主要产物，如Hg、Pb、Sn、In等；第二类催化剂主要产生CO，如Au、Ag、CO、Zn等；最后一类催化剂(铜及其衍生物)已被证明是特殊的CO2RR催化剂，它可以生成大量的醇和碳氢化合物。普遍认为，获得不同产物的关键在于中间体与催化剂之间的相互作用。
基于此，武汉大学王功伟，庄林和汕头大学李振（共同通讯）等人将NxC壳包覆在Ag纳米颗粒（NPs）的表面(核壳结构，Ag@NxC)，促进CH4和CH2CH2的形成。
王功伟/庄林/李振ACS Catalysis：非晶态NxC层在Ag纳米催化剂上促进CO2深度还原成碳氢化合物
为了确定NxC壳层在CO2RR过程中的作用，对Ag NPs, Ag@NxC-1, Ag@NxC-2和Ag@NxC-3催化剂进行了测试。CO2在Ag NPs和Ag@NxC催化剂上的吸附/脱附有明显不同(在273 K)。
在相同的压力下包覆NxC壳层后，CO2的吸附量远高于纯Ag NPs，而CO2脱附曲线表明脱附所需的压力远低于吸附。大的吸附量和脱附过程中的压力迟滞现象表明吸附质与吸附剂之间存在较强的相互作用。
也就是说，由于NxC壳层中CO2和N的相互作用，CO2分子可以被NxC 壳层选择性地吸附/聚集。
Ag@NxC催化剂吸附量的不同与NxC壳层厚度有关，为了找出在Ag NPs表面包覆NxC壳后HER增强的原因，利用Tafel斜率研究了在氮气气氛下NxC壳对HER动力学的影响。对于Tafel斜率：Ag NPs > Ag@NxC-1 > Ag@NxC-2≈ Ag@NxC-3，从437降至344 mV dec-1。
这表明，在一定的厚度范围内，NxC壳层增强了HER动力学。这与之前的报道一致，N的存在可以激活H2O以促进HER性能，而在较高的应用电位下，Ag@NxC-3催化剂上的HER的Tafel斜率从346增加到423 mV dec-1。
可以推断，这是由于较厚的NxC壳减缓了传质。这些结果进一步验证了上述猜想，NxC壳层可以激活CO2和H2O分子以促进碳氢类产物的生成。
王功伟/庄林/李振ACS Catalysis：非晶态NxC层在Ag纳米催化剂上促进CO2深度还原成碳氢化合物
NxC壳层均匀分布在Ag核表面，厚度约为2.1 ~ 7.8 nm。修饰NxC外壳后，生成碳氢化合物的性能明显提高，优化后的Ag@NxC催化剂上CH4和CH2CH2的法拉第效率分别达到43.8和8.4%以上。
实验证明，这种性能的提高与Ag NPs的电子性质的改变无关，而是与NxC壳层和Ag NPs核层的协同作用有关。在CO2RR过程中NxC壳是多功能的，这已经被衰减全反射表面增强红外吸收光谱证实。
首先，可以延长CO中间体的停留时间，减缓脱附过程，促进C-C耦合；其次，它还可以通过H2O与NxC壳层的相互作用激活H2O分子。与Ag NPs相比，Ag@NxC催化剂上的H2O吸附强度明显增加，峰位蓝移约30 cm-1，表明更强的相互作用可以激活H2O，为进一步还原碳质中间体提供足够的吸附H。
这项工作为在非Cu基催化剂上实现二氧化碳转化为碳氢化合物产品提供了一种策略。
王功伟/庄林/李振ACS Catalysis：非晶态NxC层在Ag纳米催化剂上促进CO2深度还原成碳氢化合物
Amorphous NxC Coating Promotes Electrochemical CO2 Deep Reduction to Hydrocarbons over Ag Nanocatalysts, ACS Catalysis, 2022, DOI: 10.1021/acscatal.2c04580.
https://doi.org/10.1021/acscatal.2c04580.

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