碳修饰的铜催化剂实现安培级电流电化学还原CO2制C2+产物

doi:10.3866/PKU.WHXB202404012

物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (3): 100024.doi: 10.3866/PKU.WHXB202404012

碳修饰的铜催化剂实现安培级电流电化学还原CO₂制C₂₊产物

董雪¹, 孙晓甫²^,*(), 贾帅强¹, 韩世涛¹, 周达伟¹, 姚婷¹, 王敏¹, 方明慧¹, 吴海虹¹^,*(), 韩布兴¹^,²^,*()

¹ 华东师范大学化学与分子工程学院, 上海市绿色化学与化工过程重点实验室, 上海 200062
² 中国科学院化学研究所, 北京分子科学国家实验室, 中国科学院胶体、界面与化学热力学重点实验室, 中国科学院分子科学卓越研究/教育中心, 北京 100190

收稿日期:2024-04-08 修回日期:2024-05-07 录用日期:2024-05-07 发布日期:2024-12-14
通讯作者: Email: sunxiaofu@iccas.ac.cn. Tel.: +86-10-62562821 (孙晓甫)hhwu@chem.ecnu.edu.cn (吴海虹)hanbx@iccas.ac.cn (韩布兴)
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Electrochemical CO₂ Reduction to C₂₊ Products with Ampere-Level Current on Carbon-Modified Copper Catalysts

Xue Dong¹, Xiaofu Sun²^,*(), Shuaiqiang Jia¹, Shitao Han¹, Dawei Zhou¹, Ting Yao¹, Min Wang¹, Minghui Fang¹, Haihong Wu¹^,*(), Buxing Han¹^,²^,*()

¹ Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes, School of Chemistry and Molecular Engineering, East China Normal University, Shanghai 200062, China
² Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, CAS Key Laboratory of Colloid, Interface and Chemical Thermodynamics, CAS Research/Education Center for Excellence in Molecular Sciences, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

Received:2024-04-08 Revised:2024-05-07 Accepted:2024-05-07 Published:2024-12-14
Contact: Email: sunxiaofu@iccas.ac.cn. Tel.: +86-10-62562821 (Xiaofu Sun)hhwu@chem.ecnu.edu.cn (Haihong Wu)hanbx@iccas.ac.cn (Buxing Han)
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摘要/Abstract

摘要：

铜基电催化剂在CO₂还原反应(CO₂RR)中产高附加值产物的潜力巨大，是实现碳负排放的一种很有前景的途径。同时，安培级电流是实现多碳(C₂₊)产业化的关键。然而，由于复杂的电子传递过程和不可避免的副反应，工业电流密度下的C₂₊选择性仍然不令人满意。在此，我们开发了一种碳修饰策略来优化局部环境并调节中间产物在Cu活性位点的吸附。结果表明，Cu-C_x催化剂(x为催化剂中C的原子百分数)能有效催化CO₂RR生成C₂₊产物。特别是在流动池中，Cu-C_6%在-0.72 V vs. RHE(相对可逆氢电极)条件下，电流密度可达1.25 A∙cm^-2, C₂H₄和C₂₊产物的法拉第效率(FE)分别可达54.4%和80.2%。原位光谱分析和密度泛函理论(DFT)计算表明，C的存在调节了^*CO在Cu表面的吸附，降低了C—C耦合的能垒，从而促进了C₂₊产物的生成。

关键词: CO₂还原, 电催化, 多碳产物, 绿色化学, 安培电流

Abstract:

Copper-based electrocatalysts have great potential to produce high-value products in CO₂ reduction reaction (CO₂RR), offering a promising way to achieve negative carbon emissions. Additionally, achieving ampere-level currents is crucial for realizing the industrialization of multi-carbon (C₂₊) products. However, the C₂₊ selectivity at industrial current densities remains unsatisfactory due to complex electron transport processes and inevitable side reactions. Herein, we developed a carbon-modification strategy aimed at optimizing the local environment and regulating the adsorption of intermediates at Cu active sites. Our findings demonstrated the effectiveness of Cu-C_x catalysts (where 'x' denoted the atomic percentage of C in the catalysts) in facilitating CO₂RR for producing C₂₊ products. Especially, over Cu-C_6%, the current density could reach to 1.25 A∙cm^-2 at -0.72 V vs. RHE (versus reversible hydrogen electrode) in a flow cell, and the Faradaic efficiency (FE) of C₂H₄ and C₂₊ products could reach to 54.4% and 80.2%, respectively. In situ spectral analysis and density functional theory (DFT) calculations showed that the presence of C regulated the adsorption of ^*CO on Cu surface, reduced the energy barrier of C—C coupling, thus promoting the production of C₂₊ products.

Key words: CO₂ reduction, Electrocatalysis, Multi-carbon products, Green chemistry, Ampere-level current

董雪, 孙晓甫, 贾帅强, 韩世涛, 周达伟, 姚婷, 王敏, 方明慧, 吴海虹, 韩布兴. 碳修饰的铜催化剂实现安培级电流电化学还原CO₂制C₂₊产物[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3), 100024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202404012

Xue Dong, Xiaofu Sun, Shuaiqiang Jia, Shitao Han, Dawei Zhou, Ting Yao, Min Wang, Minghui Fang, Haihong Wu, Buxing Han. Electrochemical CO₂ Reduction to C₂₊ Products with Ampere-Level Current on Carbon-Modified Copper Catalysts[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(3), 100024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202404012

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202404012

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2025/V41/I3/100024

图/表 4

图1

图2

图3

图4

参考文献 49

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碳修饰的铜催化剂实现安培级电流电化学还原CO₂制C₂₊产物

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