乔世璋教授JACS：实现安培级电流下二氧化碳还原为多碳产物

为早日实现碳达峰及碳中和战略目标，科学家正积极探索二氧化碳（CO₂）新能源领域，其中电催化二氧化碳还原成为热门研究课题。实现安培级的CO₂还原电流密度对于推动多碳（C₂₊）还原产物的工业应用起到重大作用。但是，在大电流条件下，析氢副反应的竞争剧烈，无法保证有效的*CO吸附，导致*CO覆盖度较低，从而不利于*CO−*CO耦合形成多碳的还原产物。

近日，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授（点击查看介绍）课题组研究了一系列杂原子（N, P, S,O）调控铜基催化剂表面的*CO吸附和*H吸附，提高了*CO覆盖度并且有效抑制了产氢副反应的发生，实现安培级电流密度下CO₂还原为多碳产物。其中，氮衍生的铜催化剂（N-Cu）具有最佳的电催化CO₂还原性能，在电流密度−1100 mA cm⁻²时，C₂₊法拉第效率达到73.7%，总二氧化碳还原电流为−1.5 A cm⁻²，在电压为−1.15 V vs RHE下C₂₊产物的分电流密度达−909 mA cm⁻²。

图1. 电催化二氧化碳还原性能评估。

在大电流密度下，*CO和*H在催化剂表面的吸附相互竞争，导致*CO覆盖度低，从而影响*CO−*CO耦合形成多碳还原产物。N调节改变了Cu的电子结构，使之有更优异的*CO吸附。原位红外光谱证明了N-Cu的表面不仅有桥式*CO吸附，并且有更多线式位点的*CO吸附，实现了最高的*CO覆盖度。原位拉曼光谱证明N-Cu表面的氢离子消耗较为缓慢，表明HER副反应受到抑制。 

图2. 杂原子调控的铜催化剂的 (a-c) 原位全反射傅里叶变换红外光谱和 (d-f) 表面增强拉曼光谱。

在引入的所有杂原子催化剂中，选取了5个不同的吸附位点进行DFT理论计算。结果表明，N-Cu在所有的吸附位点上对于*CO的吸附都最强，进而证明了N-Cu具有更高的*CO覆盖度。与此同时，根据HER中间体吸附的吉布斯自由能，N-Cu在大电流最不易产生氢气副反应。由于N-Cu催化剂的活性位点主要被*CO覆盖占据，有利于*CO−*CO耦合形成多碳还原产物。

图3. DFT理论计算。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是阿德莱德大学郑敏，共同第一作者为王鹏棠和智星。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Electrocatalytic CO₂-to-C₂₊ with Ampere-Level Current on Heteroatom-Engineered Copper via Tuning *CO Intermediate Coverage 

Min Zheng, Pengtang Wang, Xing Zhi, Kang Yang, Yan Jiao, Jingjing Duan, Yao Zheng, Shi-Zhang Qiao

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c06820

作者介绍

乔世璋教授，现任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis，CMEC）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。作为通讯联系人，在 Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际顶级期刊发表学术论文超过489篇，引用超过84353次，h指数为146（Web of Science）。同时，乔教授拥有多项发明专利，并从工业界和澳大利亚研究理事会（ARC）获得研究经费超过1600万澳元。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2021年南澳年度科学家、2019年首届阿德莱德大学校长研究卓越奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis主编，J. Mater. Chem. A副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学及材料科学两个领域的高被引科学家。

https://www.x-mol.com/university/faculty/29675