Tilstrækkeligt stabiliseret og eksponeret Cu/CuₓO heterojunction på porøse kulstof nanofibre

Billige og let tilgængelige kobberbaserede katalysatorer anses for ideelle til den elektrokemiske CO₂ reduktionsreaktion (CO₂ RR) til at producere multikulstofprodukter. Tilstedeværelsen af ​​kobberoxider er afgørende for at generere produkter med høj værditilvækst i CO₂ RR.

Imidlertid mindsker den uundgåelige sidebrintudviklingsreaktion og den lette selvreduktionsreaktion af kobberoxid under de negative potentialer den katalytiske aktivitet og selektivitet af CO₂ RR. I øjeblikket designes en stabil fase med både modstand mod elektrokemisk selvreduktion og høj CO₂ RR-aktivitet er udfordrende.

For nylig forsøgte et forskerhold ledet af prof. Chuanxin He fra Shenzhen Universitet, Kina, fuldt ud at udnytte indeslutningseffekten og bærereffekten af ​​porøse kulstofnanofibersubstrater på metalnanopartikler, hvilket væsentligt øgede eksponeringen af ​​aktive steder Cu/Cu_x O heterojunctions ved den katalytiske reaktionsgrænseflade.

Katalysatoren kunne opretholde den strukturelle stabilitet af kobberoxider under en strømtæthed på 400 mA cm ^‒2 og opnå en fremragende CO₂ RR ydeevne til ethanol med en Faradaic effektivitet så høj som 70,7 % og en masseaktivitet på 8,4 A mg ^‒1 .

I denne forskning blev stærkt spredte kobbernanopartikler i kulstofnanofiber først fremstillet via elektrospinning, derefter O₂ -plasmabehandling blev indført for samtidig at skabe Cu/Cu_x O heterostruktur og åbne mesoporer gennem disse kulstof nanofibre.

Specifikt kan de åbne mesoporer gennem kulstofnanofibre fuldt ud blotlægge Cu/Cu_x O-steder til trefasegrænsefladen sammenlignet med ubehandlede kulstofnanofibre, hvilket fører til høj og stabil katalytisk aktivitet med lav metalbelastning.

Kombineret med de fysiske karakteriseringer og in-situ spektrale karakteriseringer såsom infrarød og Raman spektroskopianalyse, en dynamisk stabiliseret tilstand af Cu_x O og nøglesignalerne for *CO og C-C-binding observeres under CO₂ RR proces. Derudover viser DFT-beregninger, at tilstedeværelsen af ​​Cu_x O fremmer afsmitningen af ​​*CO-mellemprodukt til Cu/Cu_x O-grænseflade, som kan mindske C-C-koblingsenergibarrieren for at danne C₂ H₅ OH under CO₂ RR-proces.

Kulstofsubstratet kan forbedre elektrontransport og fungere som en elektrondonor for at neutralisere reduktionen af ​​Cu_x O under et negativt potentiale, som hjælper stabiliteten af ​​Cu/Cu_x O heterostruktur og opretholder 213-timers stabilitet ved høje strømtætheder. Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

Flere oplysninger: Xingxing Jiang et al., Tilstrækkeligt stabiliseret og eksponeret kobberheterostruktur for CO₂ elektroreduktion til ethanol med ultrahøj masseaktivitet, Chinese Journal of Catalysis (2024). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64604-2

Leveret af Chinese Academy of Sciences