催化学报

催化学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (5): 914-919.DOI: 10.1016/S1872-2067(18)63021-9

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高效二氧化碳电催化还原反应花状钴催化剂的制备及性能

杨刚, 余志鹏, 张杰, 梁振兴   

  1. 华南理工大学化学与化工学院, 广东省燃料电池技术重点实验室, 广东广州 510641
  • 收稿日期:2017-11-23 修回日期:2018-01-07 出版日期:2018-05-18 发布日期:2018-04-19
  • 通讯作者: 张杰, 梁振兴
  • 基金资助:

    国家自然科学基金（21676106，21476087）；广州市科技计划项目（201704030065）；广东省科技计划项目（2017A050506015）；国家重点研发计划项目（2016YFB0101204）.

A highly efficient flower-like cobalt catalyst for electroreduction of carbon dioxide

Gang Yang, Zhipeng Yu, Jie Zhang, Zhenxing Liang   

  1. Key Laboratory on Fuel Cell Technology of Guangdong Province, School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong, China
  • Received:2017-11-23 Revised:2018-01-07 Online:2018-05-18 Published:2018-04-19
  • Contact: 10.1016/S1872-2067(18)63021-9
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21676106, 21476087), Science and Technology Program of Guangzhou (201704030065), Science and Technology Program of Guangdong (2017A050506015), National Key R&D Program of China (2016YFB0101204).

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摘要：

随着工业的不断发展，化石燃料的大量使用导致全球大气二氧化碳浓度逐年升高.通过电还原将二氧化碳转化为燃料是实现碳循环经济最有前景的途径之一.目前，还原二氧化碳常用的方法包括热化学法，光化学法和电化学法.与另外两种方法相比，电催化还原二氧化碳具有条件简便，易于控制，转化率较高，材料易得，易于放大生产等优点，具备潜在的实际应用价值.电还原二氧化碳的催化材料主要分为金属材料，金属氧化物，有机分子，生物分子等.其中，以过渡金属催化剂的研究与应用最为普遍.我们发展了一种新型金属钴催化剂的制备方法，采用快捷，绿色的溶剂热方法，以正丁胺为保护剂，合成了具有花状形貌的金属钴催化剂.这种特殊形貌的金属钴催化剂相比体相的金属钴催化剂与层状的氢氧化钴材料，能够暴露更多的活性位点，在二氧化碳电还原反应中表现出极高的催化活性与选择性.我们采用循环伏安法和线性扫描伏安法（LSV）等电化学表征手段，进一步证明了先前其他课题组已报道过的通过溶剂热法制备得到的钴/钴氧化物二维材料在二氧化碳电催化还原过程中，金属钴/氧化钴界面的存在对二氧化碳还原反应具有决定性作用的观点.
X射线衍射表明这种新型金属钴催化剂具有六方密堆积的晶体相，晶粒平均直径为17.3nm.扫描电子显微镜直观地展示了其不同于体相的金属钴催化剂与层状的氢氧化钴材料，具有特殊的形貌.电化学表征结果显示花状金属钴催化剂比另外两种材料具有更正的起始电位（-0.7 Vvs. SCE）.不同扫描速度LSV研究表明，甲酸等其他还原产物的形成受二氧化碳传质控制影响.采用核磁共振分析不同电位下10h恒电位电解产物，发现当电极电势为-0.85V（vs. SCE）时，还原产物甲酸的法拉第效率达63.4%.另外，循环伏安曲线表明该催化剂不仅对二氧化碳还原反应具有极高的活性，同时，对还原产物的氧化也表现出极低的过电位与极高的反应活性，因此所开发催化剂可视为一类双效电催化剂.

关键词: 二氧化碳电还原反应, 钴, 花状形貌, 甲酸, 界面

Abstract:

Electrochemical conversion of CO2 into fuel has been regarded as a promising approach to achieve the global carbon cycle. Herein, we report an efficient cobalt catalyst with a unique flower-like morphology synthesized by a green and facile hydrothermal method, in which n-butylamine is used as the capping agent. The resultant catalyst shows superior electrocatalytic activity toward CO2 electroreduction, which is highly selective for generating formate with a Faraday efficiency of 63.4%. Electrochemical analysis reveals that the oxide on the surface is essential for the electrocatalysis of the CO2 reduction reaction. Cyclic voltammograms further suggest that this catalyst is highly active for the oxidation of reduced product, and can thus be seen as a bifunctional catalyst.

Key words: CO2 electroreduction reaction, Cobalt, Flower-like morphology, Formate, Interface