研究亮点该研究团队发现有两个影响 CO 还原活性和选择性的关键因素：（1）CO 的扩散，由于 CO 在溶液的溶解度很低，增加电极附近的局部 CO 浓度显得尤为重要；（2）催化剂本征的活性。因此，该研究团队从这两个关键因素出发，在优化铜基催化剂的基础上，通过调节电极的孔道和疏水性来增加 CO 的扩散速率，以 H2O 作为还原剂，在常温常压的温和条件下实现了高选择性地 CO 电还原制备乙烯。
图文解析▲Figure 1. Electrode structure and the related CORTE performance. a) Faradaic efficiency and geometric current density for CO electroreduction over Cu-Ps loaded on four types of carbon papers tested in 1 M KOH at 25 oC. Bottom pictures show contact angles of water droplets on the corresponding surface of carbon papers. b) SEM images of Cu-Ps/CP-MPL electrode. c) Schematic illustration for CORTE process on Cu catalysts with the assistant of the hydrophobic micro-porous layer to improve the CO diffusion.
由于一氧化碳在水溶液中溶解度极低，该研究团队通过调节碳纸中聚四氟乙烯（PTFE）的含量来调控其疏水性，以此促进气体扩散从而增加电极附近的局部 CO 浓度。当碳纸的 PTFE 含量从 5 wt % 增加至 25 wt %，乙烯法拉第效率实现了约 20 倍的提升，乙烯电流密度也变为了原来的 16 倍。进一步的地，在碳纸表面引入微孔层（micro-porous layer），虽然法拉第效率只是略微提升，但是乙烯电流密度变为了原来的两倍，这有可能源于微孔层有利于构筑气固液三相界面，进一步提高了 CO 电还原到乙烯的反应速率。
▲Figure 2. Copper oxidation-state effect on CORTE performance. a) Faradaic efficiencies of products over different Cu-based catalysts at applied potentials versus the reversible hydrogen electrode (RHE) in 1 M KOH at 25 oC. b) XRD patterns of freshly prepared catalysts and that after 2 hours CO electroreduction process at -0.7 V versus RHE (conditions: 1 M KOH, 25 oC). c) Geometric current densities for C2H4 production over different copper-based catalysts.
除了促进 CO 的扩散，催化剂自身的活性也至关重要。该研究团队经过一系列的探索，合成了金属铜颗粒（Cu-Ps）催化剂，同时对比了Cu-Ps、通过完全氧化 Cu-Ps 制得的氧化铜（CuO-syn）和商品氧化铜（CuO）的 CO 还原活性，发现金属态的 Cu-Ps 相比较于氧化铜具有更高的 CO 还原至乙烯的法拉第效率，通过优化不同电解质的浓度，在 1 M KOH 中，-0.7 V (vs. RHE)电位下，实现了 CO 至乙烯的高法拉第效率转化，法拉第效率为 52.7 %。乙烯电流密度在1 M KOH，-0.8 V 室温条件下为 15 mA cm-2，在 3 M KOH，-0.9 V 时达到了 22 mA cm-2。
▲Figure 3. Insights into the reaction mechanism towards CO electroreduction on the Cu surfaces. a, b) The in-situ normalized (a) Cu K-edge XANES spectra and (b) Cu K-edge k2-weighted EXAFS spectra of Cu-Ps for no voltage and at -0.7 V in CO or Ar compared with the reference Cu foil and Cu2O. c) Schematic representations of CO electroreduction reaction pathways. d) Free energy diagram for CO electroreduction on Cu(100) at U = 0 V, and at the potentials that all reaction steps are exothermic except for the first step. e) Comparison of adsorption energy of key intermediates that affect activity (upper panel) and free energies of competitive pathways for C2H4 and EtOH formation (lower panel) on Cu(100), Cu(111) and Cu(110).
目前承担国家基金委基础科学中心项目、重大项目，科技部国家重点研发计划项目，Topsoe 企业项目等 10 余项。入选教育部青年长江学者（2018）、中科院“青年促进会优秀会员”（2019）、大连化物所“张大煜优秀学者”（2018）。曾获日本化学会 “The Distinguished Lectureship Award”奖（2018）、中国化学会青年化学奖（2017）、首届全国创新争先奖牌奖（团队奖，核心成员）（2017）、国际催化大会青年科学家奖（2016）、中国纳米化学新锐奖（2016）、中国催化新秀奖（2014）等荣誉。目前担任 ACS Catalysis，Nano Research，Journal of Energy Chemistry，EnergyChem，化学学报，中国化学快报等期刊的（青年）编委或顾问编委。
目前评论：