陈为/魏伟/孙予罕最新EES:铜气体透散电极上安培级二氧化碳还原到多碳产物
论文相关信息：
第一作者（或者共同第一作者）： 朱畅
通讯作者（或者共同通讯作者）： 陈为/魏伟/孙予罕
通讯单位： 中国科学院上海高等研究院
论文DOI： 10.1039/D2EE02121H
全文速览：
近日，中科院上海高等研究院的陈为、魏伟及孙予罕研究团队设计了铜中空纤维气体透散电极，向三相界面位置提供无限的CO2以突破低CO2溶解度限制，这可以轻松实现在安培级电流密度下电还原CO2。表面重构进一步提高了C2 产物的选择性。这种具有合理表面促进作用的气体透散配置为提高高价值CO2减排产物的生产效率提供了一种新的策略，从而进一步开发与工业相关的CO2转化装置。
背景介绍：
由可再生电能驱动的CO2电化学转化为增值化学燃料在减少CO2净排放和满足能源需求方面具有双重作用。然而，由于多个质子-电子耦合和C-C耦合步骤的缓慢动力学，eCO2RR到C2 产物的电流密度仍然不足以用于工业规模实施。因此，开发用于在高电流密度下高产量CO2-C2 产物转化的高效电极尤为重要。低CO2溶解度（25℃和1 atm下为34 mM）和厚的传质边界层阻碍了CO2传质，因此，需要一种新的功能电极配置设计，以在高电流密度下保持优异的选择性和稳定性。
本文要点：
要点1：
由商品氧化铜粉通过相转化/烧结法制得具有自支撑3D多孔结构的铜中空纤维（Cu HF）电极，进一步通过电化学活化重构电极表面得到活化的铜中空纤维（activated Cu HF）。原位拉曼证实活化过程中Cu(OH)2和Cu2O物种的还原，非原位拉曼，XRD和XPS均证实Cu0为最终的还原状态。
图1. 形貌表征和组分分析
要点2：
电化学测试结果表明，activated Cu HF在极宽的电流密度范围内均能保持优异的CO2还原性能。在低电流密度下的主要还原产物是CO和甲酸盐（C1产物），而在高电流密度下C2 产物占主导地位。在0.5 M KHCO3溶液中activated Cu HF最高可以获得62.8%的C2 法拉第效率，而Cu HF最高C2 的法拉第效率仅为28.1%。在0.5 M KHCO3和3.5 M KCl作为阴极电解液时activated Cu HF均表现出卓越的稳定性。1.4 A cm−2的C2 分电流密度优于之前报道的绝大部分铜基电催化剂。
图2. 电化学CO2还原性能测试
要点3：
使用OH−在不同铜晶面上的电化学特征吸附行为来量化Cu(100)暴露，证实电化学重构的activated Cu HF暴露了更多的Cu(100)面，DFT进一步证实Cu(100)相较于Cu(111)和Cu(100)具有更低的CO二聚能垒，这有助于建立足够的CO覆盖并促进C-C耦合。
图3. 晶面效应和理论计算研究
总结与展望：
综上所述，本文通过表面重构得到具有微/纳米结构富Cu(100)中空纤维配置，这为提高三相界面反应和传质动力学以及促进CO*中间体的C-C偶联提供了新的机会。此外，具有简单制造程序的单一成分和坚韧框架使中空纤维成为具有优异耐久性的理想工业电极。这项工作呈现了CO2电还原为高价值C2 令人鼓舞的进展，并可能进一步扩展应用。
【文章链接】
Ampere-level CO2 reduction to multicarbon products over a copper gas penetration electrode
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee02121h
【通讯作者简介】
陈为研究员简介：2008年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，2008-2010年在美国佛罗里达国际大学从事电化学储能方面的博士后研究； 2010-2015年在沙特阿卜杜拉国王科技大学以研究科学家身份从事先进多孔膜材料方面研究；2015年8月入职中国科学院上海高等研究院，入选中科院“百人”计划。主要研究领域包括：二氧化碳资源化利用、光电催化、碳基小分子温和转化等。以第一或通讯作者身份在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Energy Environ. Sci. 等学术刊物上发表多篇高水平论文研究论文。曾获得全国百篇优秀博士学位论文，辽宁省自然科学一等奖等。
魏伟研究员简介：研究员，博士生导师，现任中国科学院上海高等研究院副院长。主要从事C1化学与工程、温室气体战略以及CO2捕集封存和利用、纳米材料合成与应用等研究。承担并完成国家科技支撑计划2项、国家973项目1项、中国科学院战略性先导科技专项3项、中国科学院知识创新工程重要方向2项以及企业委托项目等十余项。
目前在重要学术杂志，如Nature，Nat. Chem.，Nature Geosci.，Nat. Commun.，Joule，Energy Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed. 等发表高水平论文400余篇，已授权或申请国际发明专利3项、国家发明专利80余项，获中国石油天然气集团创新技术二等奖。曾荣获第13界国际催化大会优秀青年科学家奖等，享受国务院政府特殊津贴。兼任国际碳捕集领导小组成员；同时担任《化工进展》、《气候变化研究导报》、《天然气化工》、《光谱学与光谱分析》等学术期刊的编委。
孙予罕研究员简介：研究员，博士生导师，于1994年首批入选中国科学院“百人计划”，1996年获国家杰出青年科学基金。1996年至2002年任煤转化国家重点实验室主任，2000年至2008年任中科院山西煤炭化学研究所所长，2009年至2014年任中科院-BP清洁能源技术中心董事长，2012年至2017年任中国科学院上海高等研究院副院长，2014年至2020任中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室主任，2018年开始担任上海科创低碳技术创新功能型平台负责人。孙予罕主要从事含碳资源与CO₂转化利用中催化和工程研究，以及相关纳米材料及其在绿色化学和光学中的应用研究，包括近期的清洁能源战略与解决方案研究。
至今，已在Nature, Science, Nature Chem, Nature Comm, Science Advance, Energy Environ. Sci., Advanced Materials, Angewandte Chemie, Green Chemistry, Chemical Communication, ACS Catalysis, Journal of Catalysis, Journal of Materials Chemistry, Catalysis Today等期刊发表学术论文500余篇, 获得国家发明专利100余项，并先后多次获中科院杰出成就奖、山西省自然科学/技术进步二等奖等。
【第一作者介绍】
朱畅， 2017年9月-2020年6月，中国科学院上海高等研究院硕士研究生；2020年9月至今，中国科学院上海高等研究院在读博士研究生，主要从事二氧化碳资源化利用、电催化转化等研究，以第一作者身份在Energy Environ. Sci., J. Power sources等重要期刊上发表数篇相关论文。
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