物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (5): 2009023.doi: 10.3866/PKU.WHXB202009023
所属专题: CO2还原
楚森林1, 李欣1, Robertson Alex W.2, 孙振宇1,*()
收稿日期:
2020-09-07
录用日期:
2020-09-28
发布日期:
2020-10-15
通讯作者:
孙振宇
E-mail:sunzy@mail.buct.edu.cn
基金资助:
Senlin Chu1, Xin Li1, Alex W. Robertson2, Zhenyu Sun1,*()
Received:
2020-09-07
Accepted:
2020-09-28
Published:
2020-10-15
Contact:
Zhenyu Sun
E-mail:sunzy@mail.buct.edu.cn
About author:
Zhenyu Sun, Email: sunzy@mail.buct.edu.cn. Tel.: +86-13301308339Supported by:
摘要:
化石燃料在未来几十年仍然是主要的能量来源,但是这种不可再生资源的燃烧释放出大量的CO2 (主要的温室气体),空气中CO2的浓度每年仍然持续增加。使用间歇性可再生能源转化的电能驱动电化学CO2还原生成高附加值产品为其减排提供了一种有前景、CO2“零排放”的方法。本文通过利用Cu和不同形状的CeO2纳米晶之间的相互作用,即分别暴露(100)、(110)、(111)晶面的立方体、棒状和八面体CeO2,实现了对电化学CO2还原产乙烯的有效调控。研究发现,电化学CO2还原的选择性和活性与CeO2暴露的晶面密切相关,生成乙烯的法拉第效率和偏电流密度在1.00到1.15 V (相对于可逆氢电极)的施加电势范围内呈现出Cu/CeO2(111) < Cu/CeO2(100) < Cu/CeO2(110)的趋势。在H-型电解池中,以0.1 mol·L-1 KHCO3溶液为电解质,Cu/CeO2(110)电催化CO2还原的法拉第效率为56.7%,这与纯碳纸、CeO2(100)、CeO2(110)、CeO2(111)纳米颗粒上只发生析氢副反应形成了鲜明对比,并且Cu/CeO2(110)可在较温和的过电势下(1.13 V)电催化CO2还原产乙烯,其法拉第效率达到39.1%,和文献报道的很多Cu-基材料的性能相当,而Cu/CeO2(100)与Cu/CeO2(111)产乙烯的法拉第效率分别为31.8%和29.6%。此外,经过6 h的持续电解后,乙烯的法拉第效率基本保持稳定。Cu/CeO2(110)还原CO2产乙烯的活性可能与CeO2(110)表面的亚稳态性质有关,其不仅能有效促进CO2的吸附,还能有效稳定Cu+,从而促进了CO2还原为乙烯。本工作为增强电化学CO2还原提供了晶面工程途径。
楚森林, 李欣, Robertson Alex W., 孙振宇. CeO2担载Cu纳米粒子电催化CO2还原产乙烯:CeO2不同暴露晶面对催化性能的影响[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5), 2009023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009023
Senlin Chu, Xin Li, Alex W. Robertson, Zhenyu Sun. Electrocatalytic CO2 Reduction to Ethylene over CeO2-Supported Cu Nanoparticles: Effect of Exposed Facets of CeO2[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(5), 2009023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009023
Fig 4
(a) LSV results of Cu/CeO2(110) on a glassy carbon electrode in Ar- (dashed black line) or CO2 (solid red line)-saturated 0.1 mol·L-1 KHCO3 at a scan rate of 5 mV·s-1. (b) Faradaic efficiencies for ECR products of Cu/CeO2(100), Cu/CeO2(110), and Cu/CeO2(111) at -1.05 V. (c) Overall ECR Faradaic efficiencies and (d) C2H4 geometric current densities over Cu/CeO2(111) (named as ①), Cu/CeO2(110) (named as ②), and Cu/CeO2(100) (named as ③) at various applied potentials. (e) ECR Faradaic efficiencies at -1.05 V as a function of Cu loading over Cu/CeO2(110). (f) Tafel plots of the partial geometric current density for C2H4 production over Cu/CeO2(100), Cu/CeO2(110), and Cu/CeO2(111). (g) C2H4 FEs (column) and corresponding partial geometric current densities (ball) for Cu/CeO2(110) during cycles with an interval of 1 h in CO2- and Ar-saturated 0.1 mol·L-1 KHCO3. (h) Current density and C2H4 FE of Cu/CeO2(110) during long-time electrolysis at -1.05 V."
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