二氧化碳電催化還原反應(yīng)利用清潔電能將二氧化碳和水在溫和條件下轉(zhuǎn)化為燃料和化學(xué)品，可同時實現(xiàn)碳循環(huán)利用和可再生能源存儲。二氧化碳電催化還原反應(yīng)的產(chǎn)物種類繁多，與一氧化碳和甲酸等C1產(chǎn)物相比，乙烯、乙醇和丙醇等C2+產(chǎn)物具有更高的能量密度和附加值，但將二氧化碳電催化轉(zhuǎn)化為C2+產(chǎn)物涉及到多質(zhì)子-多電子轉(zhuǎn)移、反應(yīng)中間物種復(fù)雜、碳-碳偶聯(lián)步驟困難，造成C2+產(chǎn)物的選擇性和生成速率較低。如何在工業(yè)級電流密度下提高生成C2+產(chǎn)物的法拉第效率是目前二氧化碳電催化還原研究亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

本工作中，研究團(tuán)隊制備了一種具有豐富Cu0/Cu+界面的Cu-CuI復(fù)合催化劑，用于二氧化碳電催化還原制備C2+化學(xué)品。在流動電解池中，該復(fù)合催化劑的最高C2+產(chǎn)物法拉第效率達(dá)到71%，在1.0V vs. RHE時，C2+分電流密度為591mA/cm2，顯著高于單獨的Cu或CuI催化劑;在0.8V vs. RHE時，其幾何電流密度在85小時測試中穩(wěn)定在~550 mA/cm2，乙烯和C2+產(chǎn)物法拉第效率略有下降。催化劑結(jié)構(gòu)表征表明，Cu-CuI復(fù)合催化劑在強(qiáng)堿性電解質(zhì)和電極電勢的誘導(dǎo)下發(fā)生顯著重構(gòu)。結(jié)合控制實驗和密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)后催化劑表面上的Cu+和吸附碘物種是促進(jìn)Cu-CuI復(fù)合催化劑上高效制備C2+產(chǎn)物的主要原因。吸附碘物種一方面穩(wěn)定Cu+物種促進(jìn)C-C偶聯(lián)，另一方面通過影響*CO吸附強(qiáng)度直接促進(jìn)C-C偶聯(lián)。上述研究為高效二氧化碳電催化還原催化劑的設(shè)計和制備提供了新策略。

相關(guān)工作于近日以題為“High-Rate CO2 Electroreduction to C2+ Products over a Copper-Copper Iodide Catalyst”發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。該工作的第一作者是我所502組2019級博士研究生李合肥。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項目的支持。