催化学报

催化学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (7): 1070-1075.DOI: 10.1016/S1872-2067(16)62465-8

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过渡金属修饰对铜箔电催化还原CO2的性能影响

刘莉, 田娜, 黄龙, 洪宇浩, 谢爱云, 张凤阳, 肖翅, 周志有, 孙世刚   

  1. 厦门大学化学化工学院, 福建 厦门 361005
  • 收稿日期:2016-04-15 修回日期:2016-05-19 出版日期:2016-06-17 发布日期:2016-06-17
  • 通讯作者: Na Tian, Shi-Gang Sun
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(21222310,21573183,21361140374,21321062);中央高校基本科研业务费(20720160045).

Influence of transition metal modification of oxide-derived Cu electrodes in electroreduction of CO2

Li Liu, Na Tian, Long Huang, Yu-Hao Hong, Ai-Yun Xie, Feng-Yang Zhang, Chi Xiao, Zhi-You Zhou, Shi-Gang Sun   

  1. State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, iChEM (Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials), Department of Chemistry, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China
  • Received:2016-04-15 Revised:2016-05-19 Online:2016-06-17 Published:2016-06-17
  • Contact: Na Tian, Shi-Gang Sun
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21573183, 21222310, 21361140374, 21321062) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (20720160045).

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摘要：

CO2还原是一种解决温室效应以及能源短缺问题的有效方式.目前对于水溶液体系中的CO2还原,主要有光催化、电催化以及光电催化等方法,其中还原CO2法可在室温下进行,并较易实现大规模应用.由于金属电极在CO2电催化还原过程中表现较高电流密度和催化性能,使得目前研究的热点集中于金属电极的修饰改性.金属Cu与H2,CO结合能力适中,并且对生成碳氢化合物具有较好的催化性能,因此其在催化CO2还原中具有较大潜力.以往对于Cu的研究主要集中在表面修饰、调控表面结构以及制备合金等方向,其中对金属进行氧化后再还原的处理也是提高其催化活性的一种有效手段.氧化后还原得到的铜具有较大的粗糙度,且暴露的活性位点更多,对CO2还原具有较好的催化活性.我们对铜箔在空气氛围下、300°C焙烧5h,然后恒电位还原,再进行过渡金属Ni、Zn、Au的修饰,研究所得样品电催化还原CO2性能.电极的表面形貌用扫描电镜表征,CO2还原的液相和气相产物分别用核磁和在线气相色谱进行检测.修饰后电极的形貌没有发生太大变化,仍具有十分粗糙的表面结构.通过线性扫描伏安曲线可以看出,修饰Zn、Au后电流密度较未修饰前有明显增加,但是由于CO2还原过程中不可避免地伴随析氢副反应,因此,我们通过计算产物的法拉第效率来表征修饰后的电极对产物选择性的改变:未修饰时,在-1.2至-1.6V均可检测到甲酸的生成,电位负于-1.4V时可以检测到乙醇和正丙醇.Ni的修饰明显提高了甲酸的法拉第效率,也促进了正丙醇的生成.-1.3V时甲酸的法拉第效率为26.0%,-1.5V时液相产物的法拉第效率为34.3%.在线气相色谱结果发现,Ni的修饰也明显提高了CO的法拉第效率,在-1.4V下,CO的法拉第效率为44.6%.这可能是由于Ni(r=0.1246nm)的原子半径比Cu(r=0.1278nm)更小,因此Ni的修饰会使Cu发生晶格收缩、导致d带中心下移而降低了CO的结合能,从而更易生成CO和HCOOH;而修饰Ni后对CO2还原产物正丙醇的提高可能是由于Ni的引入促进了C-C键的形成.修饰Zn后,甲酸的产率明显下降,在-1.6V下甲酸的法拉第效率只有14.8%,但是乙醇与正丙醇的法拉第效率分别为1.6%与2.0%,相较于未修饰的电极略有提高.修饰Au后,液相产物甲酸及醇类的法拉第效率明显下降,在-1.5V下,甲酸的法拉第效率只有7.9%,且只检测到少量的乙醇,未检测到正丙醇的生成,这可能与Au修饰后的电极对CO2还原中间体CO的吸附较弱有关,生成的CO中间体更易从表面脱附,而难以被进一步还原.

关键词: 二氧化碳还原, 氧化后还原铜箔, 恒电位沉积, 法拉第效率, 过渡金属修饰

Abstract:

The modification of oxide-derived Cu electrode with Ni, Zn, and Au was examined to improve the catalytic activity of CO2 electroreduction. The experimental results showed that Ni modification increased the Faraday efficiency of the formation of formic acid and n-propanol. The Faraday efficiency relating to the formation of the liquid products was as high as 34.3% at -1.5 V versus the saturated calomel electrode reference potential. In contrast, modification with Zn reduced the formic acid formation efficiency but enhanced the alcohol formation efficiency. Finally, modification with Au suppressed the selectivity toward the formation of both formic acid and alcohols.

Key words: Carbon dioxide reduction, Oxide-derived Copper, Potentiostatic deposition, Faraday efficiency, Modified by transition metal