Eine effiziente Strategie zur Förderung neuartiger Produkte auf Cu-basierten Katalysatoren

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Die elektrochemische CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) zu hochwertigen Produkten mit zwei oder mehr Kohlenstoffen (C2+-Produkte) bietet eine praktikable Strategie zur Schließung des anthropogenen Kohlenstoffkreislaufs und zur Steigerung der wirtschaftlichen Effizienz. Cu gilt allgemein als das wirksamste aktive Metall, das bemerkenswerte katalytische Leistungen für die CO2RR-zu-C2+-Umwandlung zeigt.

Die rational konzipierten Cu-basierten Elektrokatalysatoren für CO2RR wurden umfassend entwickelt. Allerdings ist die direkte Umwandlung von CO2 in C2+-Produkte mit hoher Selektivität und Effizienz aufgrund komplexer Reaktionsnetzwerke immer noch eine große Herausforderung. Insbesondere wurde eine präzise Steuerung der Produkte auf ein bestimmtes C2+-Produkt mit hoher Selektivität nicht erreicht.

Bisher fehlen noch die systematischen Leitgesetze der Katalysatoroberflächenregulierung zur Verbesserung der C2+-Produktivität. Dies ist erforderlich, um einen tiefen Einblick in den Reaktionsmechanismus von CO2RR-zu-C2+ auf Oberflächen und/oder Grenzflächen zu erhalten. Daher ist eine umfassende Übersicht über Erfolge bei der Oberflächenzustandsmodifikation, die die katalytische Leistung für hocheffiziente CO2RR-zu-C2+ beeinflussen könnte, äußerst wünschenswert.

Kürzlich fasste ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Qun

  • Hemmung von IHR. Die Modifizierung mit organischen Molekülen auf der Oberfläche der Cu-basierten Elektroden erhöht die Hydrophobie zur Hemmung von HER. Eine andere Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, eine spezifische Morphologie der Nanonadelform und der hydrophoben porösen Struktur zu entwerfen, um die Oberflächenbenetzbarkeit zu verringern.
  • CO2-Adsorption und -Aktivierung. Cu-basierte Katalysatoren, die von CO2-Abscheidungsmaterialien getragen werden, können möglicherweise eine lokale Mikroumgebung mit hoher CO2-Konzentration bilden. Während die Einführung von Halogenidionen freie Elektronenpaare an das unbesetzte Orbital von CO2 abgeben kann, um dessen Aktivierung durch die Bildung des CO2•–-Radikals zu erleichtern. Darüber hinaus ist der synergistische Effekt zwischen Cuδ+ und Cu0 in Cu-Oberflächen auch wirksam bei der Aktivierung von CO2.
  • CO-Bildung und Adsorption. Zu den wirksamen Methoden gehören die Zugabe von Fremdkomponenten, die als CO-Erzeugungsstandorte dienen, und der Bau spezifischer Strukturen mit verstärkten lokalen elektrisch-thermischen Feldern. Sie können die CO-Bedeckung, Adsorptionskapazität und Adsorptionskonfigurationen für die C-C-Kopplung effizient modulieren.
  • C-C-Kopplung. Dieser Schritt kann durch den Aufbau von Einschlussstrukturen, das Hinzufügen von Oxidationsstufen, den Aufbau von Defekten, den Entwurf von Einzelatomkatalysatoren und den Aufbau von Heteroübergangsstrukturen gefördert werden. Eine Cu-basierte Elektrode mit Einschlussstruktur kann die Retentionszeiten von Zwischenprodukten verlängern.

    • Die Einführung von Cu-Stellen, Defekten und Heteroübergangsschnittstellen mit positiver Valenz moduliert hauptsächlich das Adsorptionsverhalten von C1-Zwischenprodukten und senkt die Energiebarriere der CC-Kopplung. Die Ligandengruppen in Einzelatomkatalysatoren beeinflussen den CC-Kopplungsweg zwischen verschiedenen C1-Intermediaten, indem sie die koordinative Mikroumgebung von Cu-Zentren modulieren.

    Darüber hinaus gibt diese Arbeit Einblicke in den Reaktionsmechanismus von CO2RR, indem sie den Zusammenhang zwischen Oberflächeneigenschaften von Cu-basierten Katalysatoren und verbesserten Leistungen tiefgreifend versteht. In der Zwischenzeit werden die aktuellen Herausforderungen und potenziellen Strategien der CO2RR-zu-C2+ vorgestellt. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.

    Mehr Informationen:
    Huanhuan Yang et al., Effiziente Strategien zur Förderung der elektrochemischen Reduktion von CO2 zu C2+-Produkten über Katalysatoren auf Cu-Basis, Chinesisches Journal für Katalyse (2023). DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64429-8

    Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

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