调整铜催化剂表面结构实现碳循环

来自可再生资源的电能可用于将二氧化碳(CO 2)和水分子中的键重排为复杂的碳氢化合物,然后将其燃烧以产生新的能源和CO 2,最终实现碳循环。铜是一种催化材料,已发现对于实现该工艺和促进CO 2电还原反应(CO 2 RR)很有希望。

图片来源:Arán-Ais等。

催化剂的研究

试图了解控制CO 2 RR反应的参数时,两个关键要素是明确定义的表面结构和已知的材料组成。过去的理论和实验研究表明,Cu(100)表面有利于生成乙烯的CC连接路径。

最近,研究人员注意到Cuδ+和地下氧在生产C2-C3碳氢化合物和醇方面起着关键的催化作用。然而,迄今为止,在进行CO 2电还原反应(CO 2 RR)所必需的条件下稳定铜已被证明是非常具有挑战性的。

柏林Max-Plank学会的成员Fritz-Haber研究所的研究人员进行了旨在稳定Cu(I),处于1+ 氧化态的铜的研究,以便更好地了解其在CO 2中的作用。RR反应。在最近发表于《自然能源》上的一篇论文中,他们报道了通过调节Cu(I)催化剂的结构和氧化态可以提高使用铜生产乙醇的效率。

进行这项研究的研究人员之一Beatriz Roldan Cuenya对TechXplore表示:“到目前为止,事实证明,在CO 2还原条件下稳定Cu(I)物种非常困难。” “我们研究的主要目标是能够生成Cu(I)物种并将它们暂时稳定在明确定义的表面上,然后研究它们对CO 2 RR产物选择性的影响。”

在他们的研究中,Roldan Cuenya和她的同事使用一种称为脉冲电解的技术调整了铜催化剂的结构和氧化态。这项技术使他们能够设计脉冲电势序列,从而能够在CO 2 RR反应期间同时调整Cu催化剂的表面结构和组成。

研究发现

研究人员监测了催化剂结构及其表面化学状态的变化。最终,这引起了关于铜催化剂通过CO 2 RR反应生成烃的机理的有趣新发现。

Roldan Cuenya解释说:“我们的发现表明,(100)个畴,缺陷部位和表面Cu 2 O的组合是增强CO 2 RR反应途径导致C 2+产物的最佳构型。” “特别是,乙醇选择性的提高可能与Cu(I)和Cu 0物种的共存有关,而乙烯收率则由Cu(100)台阶的长度决定。”

该研究人员小组最近进行的研究收集了新的有趣发现,这些发现为铜催化剂在促进CO 2电化学转化中的作用提供了一些启示。将来,Roldan Cuenya和她的同事使用的技术可用于调整受约束的表面结构和组成的电化学界面,从而可用于选择性地生产C 2产物。

Roldan Cuenya说:“在我们的下一个研究中,希望探索Cu(I)物种的连续再生对其他表面取向的影响,最后将此脉冲方案应用于其他纳米颗粒系统,以在实际电解槽中更实际地应用。”

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