缺陷CuAg催化剂的构筑及电催化CO2还原制备C2+ 产物

doi:10.7503/cjcu20240082

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (7): 20240082.doi: 10.7503/cjcu20240082

缺陷CuAg催化剂的构筑及电催化CO₂还原制备C₂₊ 产物

井慧芳¹, 刘毅¹, 房强¹, 郎学磊¹, 郝根彦², 钟达忠¹(), 李晋平¹, 赵强¹()

^1.太原理工大学化学工程与技术学院, 气体能源高效清洁利用山西省重点实验室, 太原 030024
^2.山西工学院能源工程学院, 朔州 036000

收稿日期:2024-02-19 出版日期:2024-07-10 发布日期:2024-05-13
通讯作者: 钟达忠,赵强 E-mail:zhongdazhong@tyut.edu.cn;zhaoqiang@tyut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22308246);中央引导地方科技发展资金项目(YDZISX20231A015);山西省基础研究计划项目(202203021212266)

Preparation of Defect Sites Rich CuAg Catalyst for CO₂ Reduction to C₂₊ Products

JING Huifang¹, LIU Yi¹, FANG Qiang¹, LANG Xuelei¹, HAO Genyan², ZHONG Dazhong¹(), LI Jinping¹, ZHAO Qiang¹()

^1.Shanxi Key Laboratory of Gas Energy Efficient and Clean Utilization，College of Chemical Engineering and Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^2.College of Energy Engineering，Shanxi College of Technology，Shuozhou 036000，China

Received:2024-02-19 Online:2024-07-10 Published:2024-05-13
Contact: ZHONG Dazhong, ZHAO Qiang E-mail:zhongdazhong@tyut.edu.cn;zhaoqiang@tyut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22308246);the Central Government Guides the Special Fund Projects of Local Scientific and Technological Development, China(YDZISX20231A015);the Fundamental Research Program of Shanxi Province, China(202203021212266)

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摘要/Abstract

摘要：

通过电化学还原Ag/Cu(OH)₂构筑得到了富含缺陷位点的Ag/Cu-OH催化剂, 与Ag/CuO前驱体电化学还原获得的Ag/Cu-O相比, 其表现出更好的电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）制备C₂₊产物的选择性. 在H型电解槽（H-cell）中评估了催化剂的电催化性能, Ag_2%/Cu-OH表现出比Ag_2%/Cu-O高1.5倍的乙烯（C₂H₄）法拉第效率（FE）和高1.3倍的C₂₊法拉第效率. 在接近实际应用的膜电极组件（MEA）中, Ag_2%/Cu-OH在高达375 mA/cm²的电流密度下, 表现出高达56.2%的C₂H₄法拉第效率. Ag_2%/Cu-OH性能的提高不仅归因于Cu和Ag之间的协同作用, 还归因于具有更多的低配位Cu缺陷位点, 低配位Cu有利于^*CO的吸附, 进一步促进了^*CO二聚为C₂₊产物.

关键词: 二氧化碳还原反应, 电催化, 缺陷位点, 乙烯产物, C₂₊产物

Abstract:

In this paper， defect sites rich Ag/Cu-OH was obtained by electrochemical reduction of Ag/Cu（OH）₂ for efficient carbon dioxide reduction reaction（CO₂RR） to C₂₊ products. The defect sites rich Ag/Cu-OH gives a superior activity than Ag/Cu-O obtained from the reduction of Ag/CuO precursor. The electrocatalytic performance of the catalyst was evaluated in the H-cell， and Ag_2%/Cu-OH showed 1.5 times higher ethylene（C₂H₄） Faradaic efficiency（FE） and 1.3 times higher C₂₊ Faraday efficiency than Ag_2%/Cu-O. We obtained a high C₂H₄ FE of 56.2% on Ag_2%/Cu-OH in the membrane electrode assembly（MEA） electrolyze at the high current density of 375 mA/cm². The improved performance of Ag_2%/Cu-OH can be attributed not only to the synergistic effect between Cu and Ag， but also to the presence of more low coordination Cu defect sites， which facilitate the adsorption of CO and further promote the dimerization of ^*CO to C₂₊ products.

Key words: Carbon dioxide reduction reaction（CO₂RR）, Electrocatalysis, Defect site, C₂H₄ product, C₂₊ product

中图分类号:

O643

TrendMD:

井慧芳, 刘毅, 房强, 郎学磊, 郝根彦, 钟达忠, 李晋平, 赵强. 缺陷CuAg催化剂的构筑及电催化CO₂还原制备C₂₊ 产物. 高等学校化学学报, 2024, 45(7): 20240082.

JING Huifang, LIU Yi, FANG Qiang, LANG Xuelei, HAO Genyan, ZHONG Dazhong, LI Jinping, ZHAO Qiang. Preparation of Defect Sites Rich CuAg Catalyst for CO₂ Reduction to C₂₊ Products. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(7): 20240082.

图/表 11

Fig.1 XRD patterns of precursors Ag2%/Cu(OH)2, Cu(OH)2, Ag2%/CuO and CuO(A), carbon paper, Ag2%/Cu⁃OH, Cu⁃OH, Ag2%/Cu⁃O and Cu⁃O(B)

Fig.2 SEM images of precursors Ag2%/Cu(OH)2(A) and Ag2%/CuO(B)

Fig.3 TEM image of Ag2%/Cu⁃OH(A), EDX elemental mappings of Ag(B) and Cu(C) for Ag2%/Cu⁃OH, HRTEM images of Ag2%/Cu⁃OH(D) and Ag2%/Cu⁃O(E)

Fig.4 Core⁃level XPS spectra of Cu2p (A, D), Ag3d (B, E) and O1s(C, F) of Ag2%/Cu(OH)2(A—C) and Ag2%/CuO(D—F)

Fig.5 XRD patterns of different precursors(A), different products Faradaic efficiencies of Ag/Cu⁃OH and Cu⁃OH in a three⁃electrode H⁃type cell(B)

Fig.6 Electrocatalytic CO2RR measurements of Ag2%/Cu⁃OH and Ag2%/Cu⁃O in a three⁃electrode H⁃type cell（A） FE of the reduction products；（B） partial current density of C2H4， C2H5OH， C2+ and H2.

Fig.7 EIS spectra(A) and capacitive current densities as a function of scan rates(B) of Ag2%/Cu⁃OH and Ag2%/Cu⁃O

Fig.8 Cyclic voltammograms in Ar⁃saturated 0.1 mol/L KHCO3 aqueous solution of Ag2%/Cu⁃OH(A) and Ag2%/Cu⁃O(B)

Fig.9 In situ Raman spectra of Ag2%/Cu⁃OH(A) and Ag2%/Cu⁃O(B) in CO2⁃saturated 0.1 mol/L KHCO3 solution

Fig.10 Stability test of Ag2%/Cu⁃OH at -1.9 V(vs.RHE)

Fig.11 Components of the CO2RR MEA electrolyzer(A) and Faradaic efficiency and potential diagram of Ag2%/Cu⁃OH in MEA at different current densities(B)

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缺陷CuAg催化剂的构筑及电催化CO₂还原制备C₂₊ 产物

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