Tuning reaktionsbarrierer for kuldioxid elektroreduktion til multicarbon produkter

Brug af intermitterende elektrisk energi til at omdanne for meget CO ₂ ind i C2-produkter, såsom ethylen og ethanol, er en effektiv strategi til at afbøde drivhuseffekten. Kobber (Cu) er den eneste enkeltmetalkatalysator, der elektrokemisk kan omdanne CO ₂ ind i C2-produkter, omend med uønsket selektivitet af C2-produktet. Derfor, forbedring af omdannelseseffektiviteten af ​​Cu-baserede katalysatorer til reduktion af CO ₂ til C2-produkter har tiltrukket sig stor opmærksomhed.

For nylig, et forskerhold ledet af prof. Min Liu fra Central South University, Kina, designet en Cu-Pd bimetallisk elektrokatalysator med en CuPd(100)-grænseflade, der kan sænke energibarrieren for C2-produktgenerering. Elektrokatalysatoren blev opnået via en in-situ vækstmetode baseret på termisk reduktion for at give Pd-nanopartikler som kerneholdige frø. Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Generelt, der er to begrænsende faktorer for at opnå elektroreduktion af CO ₂ til C2 produkter, nemlig mængden af ​​CO*-mellemprodukt (* angiver, at mellemproduktet er adsorberet på overfladen af ​​katalysatoren) og C-C-koblingstrinnet (generelt to CO*-kobling). For Cu-katalysatorer, energibarrieren for C-C koblingstrinnet er relativt lav. Imidlertid, CO ₂ adsorption og CO ₂ * Cus hydrogeneringsevne er ugunstig, hvilket resulterer i en utilstrækkelig mængde CO* involveret i det efterfølgende C-C koblingstrin. Palladium (Pd) er en effektiv katalysator, der udviste stærk CO ₂ adsorption og ultrahurtig reaktionskinetik for CO*-dannelse. Imidlertid, CO*-forgiftning på Pd-overfladen gør den uegnet til at generere C2-produkter. For at drage fuld fordel af både Cu (lavenergibarriere for C-C-kobling) og Pd (ultrahurtig kinetik for CO*-dannelse), samlingen af ​​en CuPd bimetallisk katalysator var forudset som en potentiel metode til at optimere effektiviteten af ​​C2-produktdannelse.

Density functional theory (DFT) beregningen viser, at CuPd (100) grænsefladen forbedrede adsorptionen af ​​CO ₂ og reducerede energibarrieren for CO ₂ * hydrogeneringstrin; dermed, tilstrækkelig CO* deltog i C-C koblingsreaktionen. Ud over, energibarrieren for hastighedsbestemmende trin for C2-produktgenerering på CuPd (100) interface er 0,61 eV, hvilket er lavere end det på Cu(100) overflade (0,72 eV).

Derefter blev mål CuPd (100) grænsefladekatalysatoren fremstillet ved en simpel vådkemisk metode og bevist ved forskellige karakteriseringsmetoder. De temperaturprogrammerede desorptions- og gassensoreksperimentresultater beviste den forbedrede CO ₂ adsorption og CO ₂ * hydrogeneringsevne på CuPd(100) interface, henholdsvis. Som resultat, CuPd(100)-grænsefladekatalysatoren udviste en C2 Faradaic-effektivitet på 50,3 %, hvilket var 2,1 gange højere end Cu-katalysatoren (23,6%) ved -1,4 V _RHE i 0,1 M KHCO ₃ . Dette arbejde giver en reference til det rationelle design af Cu-baseret elektrokatalysator for CO ₂ elektroreduktion ved at justere den mellemliggende reaktionsenergibarriere.