​大化所Nat. Commun.: 制备富晶界Cu纳米粒子,电解CO生成多碳产物

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利用可再生能源驱动的电催化技术为CO等重要碳资源的催化转化提供了一条新的途径。CO电解是一种在环境温度和压力下的电催化CO加氢过程,其利用H2O而不是H2作为氢源,并且通过对CO分子施加负电位来消除CO2的形成。虽然已经报道了电催化CO加氢产多碳(C2+)产物包括乙烯、乙酸盐、乙醇和正丙醇的高法拉第效率(FE),但是由于H型电解池和流动池中催化活性不足和大的欧姆电阻,导致低电流密度和能量效率,阻碍了CO电解的实际应用。此外,一小部分CO在一些催化剂上转化为CH4,进一步降低了反应选择性。
​大化所Nat. Commun.: 制备富晶界Cu纳米粒子,电解CO生成多碳产物
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为解决上述挑战,中国科学院大连化物所汪国雄高敦峰等使用零间隙碱性膜电极组件(MEA)电解槽,通过在富含晶界(GB)的Cu纳米颗粒催化剂(Cu-nc)上实现了CO电解高效合成C2+产物。结果表明,CO被选择性地还原为C2+产物,包括乙烯、乙醇、乙酸盐和正丙醇,而没有检测到CO2和CH4产物。在2.78±0.01 V的低电池电压下,C2+部分电流密度高达4.35±0.07 A cm−2,并且CO的转化速率和转化率分别为65.1±2.3 mL min-1和85±3%。
此外,在1.0 A cm−2的高电流密度下,该电解槽连续运行150小时后电池电压仅增加0.12 V,C2+ FE略有下降,但仍高于83.6%,H2 FE逐渐增加到16.7%,这可能是由于在稳定性测试过程中电极缓慢浸润。
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理论计算表明,在GBs上较强的*CO吸附和较低的C-C偶联反应能提高了C2+的产生和对乙烯的选择性。此外,为了验证使用Cu-nc催化剂大规模电解CO合成C2+化学品的可行性,组装了100 cm2 MEA电解槽。C2+ FE在100-300 A时高于92%,在400 A时降至86%,在500 A时降至73%;在施加总电流100 A (1.0 A cm-2)下连续测试32小时,电池电压稳定在2.5 V左右,C2+ FE保持在88%以上。
本文进一步组装了具有5个100 cm2 MEA的电解槽堆,C2+ FE在100-200 A时高于96%,在300 A下降到84%,在400 A时下降到64% ,最高的C2+和乙烯生成速率分别达到118.9 mmol min-1和1.2 L min-1,突出了CO电解作为电化学合成C2+化学品的实用途径的巨大前景。
CO electrolysis to multicarbon products over grain boundary-rich Cu nanoparticles in membrane electrode assembly electrolyzers. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49095-2

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