黃昱Nature Catalysis：電化學CO2還原制乙烯

2020-09-09 研之成理

▲第一作者： Chungseok Choi
通訊作者： William A. Goddard III, Yu Huang(黃昱)

通訊單位： 加州大學洛杉磯分校(UCLA)，加州理工學院(Caltech)

DOI：10.1038/s41929-020-00504-x

背景介紹

電化學CO2還原製備高附加值化學產品不僅能減少CO2排放造成的危害，還能產生可再生能源。其中銅是將CO2還原為碳氫或者含氧化合物的有效催化劑，但產品選擇性差，長期穩定性不佳。


本文亮點

1. 本文以預合成的{100}銅納米線為前驅物，通過原位電化學活化合成了具有豐富臺階位表面的銅納米線實現高效還原制C2H4，FEC2H4大於70%，同時具有200h以上優異的穩定性。

2. DFT計算表明，具有臺階位的表面具有更優的熱力學穩定性，同時與Cu(100)表面相比，臺階位的產生能抑制C1和H2的產生從而促進C2產物的生成。

圖文解析

▲圖1. 表面臺階位的Cu納米線合成示意圖
● 預合成的{100}表面的Cu納米線(Syn-CuNW)

● 原位電化學活化的臺階位表面的Cu納米線(A-CuNW)

▲圖2. Syn-CuNW和A-CuNW的TEM表徵
● Syn-CuNW具有光滑表面一維結構，平均直徑25±7.7 nm，Cu{220}晶面間距1.27，<110>方向生長

● A-CuNW具有高度不均勻表面，{100}暴露面，臺階位為n(100)×m(111)

▲圖3. Syn-CuNW和A-CuNW表面的電化學活性
● Syn-CuNW由Cu{100}（67%）和Cu{110}（32%）組成，無A-(hkl)

● A-CuNW中A-(hkl)含量隨活化時間延長逐漸增加，而Cu{100}和Cu{110}逐漸減少

▲圖4. 電化學CO2還原性能

▲表1. 不同Cu基催化劑在H型電解池中電化學CO2還原制C2H4性能對比

▲圖5. DFT計算不同Cu表面穩定性和電化學活性
● 在工作電壓-0.98~-1.06V時，Cu(511)具有比Cu(100)和Cu(111)更低的表面能，不會產生重構到Cu(100)的表面驅動力，從而提供具有良好穩定性的階梯表面

● 與Cu(100)相比，Cu(511)具有更高的CO吸附能力

● Cu(511)上C1反應的動力學勢壘比Cu(100)更高，而C2耦合的動力學勢壘與相近

● 與Cu(100)相比，Cu(511)具有更低的氫結合能，能有效抑制析氫反應

作者介紹

William A. Goddard IIIWilliam A. Goddard III院士現任美國加州理工學院化學與化工學院、應用物理學院、材料科學學院Charles and Mary Ferkel冠名教授，是Caltech材料模擬與過程研究中心主任，是美國科學院院士、國際量子分子科學院院士、美國藝術與科學院會士、美國物理學會會士、美國科學促進會會士、英國皇家化學學會會士。其在理論化學和多尺度模擬方面的研究工作獲得了國際廣泛認可，榮獲了包括費曼納米技術理論獎、美國化學會理論化學獎和國際催化協會傑出科學貢獻獎等。截至2018年12月，Goddard院士已在Nature、Science、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等頂級綜合雜誌、化學與材料專業期刊發表SCI論文1300多篇，總引用近12萬餘次，H因子150，24次入選全球高被引科學家。


Yu Huang(黃昱)Yu Huang(黃昱)教授目前是美國加州大學洛杉磯分校的終身教授。1999年本科畢業於中國科學技術大學，2003年博士畢業於哈佛大學，分別在勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室、麻省理工學院進行博士後研究。2006年開始在UCLA任助理教授，目前為UCLA材料科學與工程系終身教授、加州納米研究所研究員。黃昱教授的研究工作已在Science、Nature、Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、Nature Chem.、JACS等國際頂尖學術期刊發表，引用超過30000次。黃昱教授還獲得諸多學術獎勵，如世界100強的年輕創新者獎、斯隆獎、美國總統青年科技獎、國防高等研究計劃署（DARPA）青年教授獎、美國國立衛生研究院（NIH）創新獎和Kavli獎等。

課題組主頁：http://yhuang.seas.ucla.edu/

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