他研发单原子合金化的铜基电催化剂，实现CO?到甲酸的华丽转身设想一下未来社会

设想一下未来社会，人们可以利用电力能源就能将环境中排放的二氧化碳（CO?）转化成燃料，这是一件多么令人兴奋又极具环保意义的事情。
随着科研人员对铜（Cu）基电催化剂的认识逐步深入，现在这种设想正在逐渐走向现实。通过电催化反应，可以将CO?还原得到碳氢化合物等产物。
一般来说， Cu作为催化剂能够表现出较高的活性，但对于特定产物的选择性较差，导致反应后对特定产物提纯的难度高。并且现有的电解设备使得反应后的产物与电解质溶液混杂在一起，更加增加了产物的分离难度。
针对以上问题，近日中国科学技术大学曾杰教授团队、电子科技大学夏川教授团队和中国科学院大连化学物理研究所肖建平研究员团队等合作取得了重要进展。

文章图片
图|曾杰（来源：曾杰）
他们通过制备出铅单原子合金化的铜基电催化剂（Pb1Cu ， SAAs），使CO?电催化还原直接制备出高纯甲酸（HCOOH）溶液成为可能，并且实验证明该催化过程能够保持长时间的稳定性。
HCOOH是一种在燃料电池中可以作为能量载体的化学物质，因此通过电还原制备甲酸是清洁能源领域的重要研究方向。同时该研究通过系统实验和理论计算明确了Pb1Cu能够实现高活性、高选择性电催化的反应机制。该成果在2021年12月发表在NatureNanotechnology上[1] 。

文章图片
图|单原子合金化Pb1Cu催化剂通过电催化将CO?转化为甲酸过程的示意图（来源：NatureNanotechnology）
电催化剂如何将CO?还原成甲酸
那么CO?通过电催化还原反应变成HCOOH的机制是怎样的呢？
其中电催化剂起到的作用非常重要。据已有研究的对HCOOH拥有较高选择性的电催化剂（例如Bi、Sn、Pb基催化剂）来说，都很难实现长时间高活性地工作。而Cu基电催化剂虽然被很多科研人员认为是最有潜力可以低成本地实现高效CO?电还原的催化剂，但因为容易发生C-C偶联过程所以很难高选择性地生成甲酸。
在反应过程中， CO?会在催化剂表面形成HCOO*与COOH*两种中间体，其中HCOO*进一步可以生成甲酸，而COOH*则会容易进一步生成一氧化碳或乙烯等C-C偶联产物。如果能够调控Cu基电催化剂上的反应只朝着生成HCOO*中间体路线继续生成HCOOH的话，那么铜基电催化剂将会有着巨大的实用价值和商业潜力。
为此，研究人员等通过环氧化物凝胶化方法合成了Cu-Pb前驱体，并在CO?饱和0.5M碳酸氢钾电解质中进行电化学还原反应，最后制得了铅单原子合金化的铜基电催化剂（Pb1Cu ， SAAs），该电催化剂可以实现高达96%法拉第效率（FE ， FaradayEfficiency）的CO?-to-HCOOH转化。
【他研发单原子合金化的铜基电催化剂，实现CO?到甲酸的华丽转身】图|Pb1Cu催化剂在180小时内表现出的高稳定性，甲酸转化FE值保持在85%以上，最终得到8L浓度为0.1M的纯甲酸溶液（来源：NatureNanotechnology）
铅单原子合金Pb1Cu的高活性和高稳定性
该团队通过在标准三电极流动池系统中测试Pb1Cu的CO?电还原催化活性，可以发现HCOOH是催化过程中的唯一液体产物，当相对可逆氢电极的电位设置在-0.70V到-1.0V区间变化时， FE可以一直保持在92%的高水平值上。并且电位为-0.8V时FE可达到最高96% ，此时形成的甲酸偏电流密度可以达到-800mAcm-2 。当电位为-1.0V时， Pb1Cu催化剂在实现92%转化效率基础上可实现-1000mAcm-2的偏电流密度，并且该值随着电位的升高该值可以达到-1200mAcm-2 ，惊人的是FE值仍旧维持在80%以上的水平。