Nature子刊:电化学CO还原过程中CuAg的结构演变!

Nature子刊:电化学CO还原过程中CuAg的结构演变!
第一作者:Di Wang,Hyun Dong Jung
通讯作者:汪磊,何迁,Shibo Xi,Seoin Back
通讯单位:新加坡国立大学,新加坡科技研究局,韩国西江大学
论文速览
理解电催化过程中催化剂结构的演变,对于未来催化剂设计的稳定结构/性能相关性至关重要。研究团队通过原位和非原位表征技术,探究了在电化学一氧化碳(CO)还原过程中Cu-Ag氧化物催化剂前驱体的结构演变。研究发现,均质氧化物前驱体在转化过程中形成了由非晶态Cu薄层包裹的小银纳米颗粒组成的双金属复合材料。这种非晶态Cu层由于其欠配位的特性,被认为是提高当前复合物催化剂催化性能的原因。
通过调节氧化物前驱体中Cu/Ag的比例,发现提高Ag浓度大大促进了液态产物的形成,同时抑制了副产物的生成。CO2/CO共供电解和同位素标记实验表明,进料中高CO浓度有利于多碳产品的形成。总之,本研究对Cu-Ag双金属系统在CO电还原中的见解,有望指导未来具有改进性能的催化剂设计。
图文导读
Nature子刊:电化学CO还原过程中CuAg的结构演变!
图1:CuAg样品在本文和参考文献中的法拉第效率(FE),XEDS元素映射的制备和反应后Cu/Ag前驱体和催化剂,以及CuAg的相图。
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图2:通过SEM图像展示制备的CuO (a-CuO) 和 Cu3Ag7 (a-Cu3Ag7) 前驱体以及反应后的CuO和Cu3Ag7样品的形态。
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图3:CuO和CuAg样品的XPS和Operando XAFS光谱。
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图4:CuO和不同Cu/Ag比例的CuAg催化剂在200 mA cm-2的COR期间的氢气、甲烷、乙烯、醋酸、乙醇和丙醇的FEs。
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图5:不同进料气体比例下,Cu3Ag7和CuO催化剂上的氢气、CO、乙烯、醋酸、乙醇和丙醇的生产速率。
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图6:非晶态Cu(a-Cu)的DFT计算。
总结展望
本研究揭示了CuAg氧化物前驱体在电化学CO还原过程中的结构演变,发现其转化为由非晶态Cu薄层包裹的小Ag纳米颗粒组成的双金属复合材料。这种结构的演变显著提高了催化剂对C2+产品的活性和选择性,特别是液态产物,如乙醇。
实验和理论计算结果表明,非晶态Cu层的欠配位特性是提高乙醇选择性的关键因素。此外,研究还发现,在CO2/CO共电解条件下,高CO浓度有利于多碳产物的形成。这些发现不仅为理解催化剂在电化学CO2/CO还原过程中的动态结构演变提供了见解,也为未来催化剂和催化系统的设计提供了指导。
文献信息
标题:Revealing the structural evolution of CuAg composites during electrochemical carbon monoxide reduction
期刊:Nature Communications
DOI:10.1038/s41467-024-49158-4

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