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Nature Energy:低成本电催化剂,高效高选择性催化CO2还原为CO
2017-07-05 | 编辑: | 【 】| | 供稿部门:
    

    人工光合作用是最近几年最热门的研究领域之一,利用太阳能将二氧化碳(CO2)转化为其他更有价值的化合物,兼顾温室气体过量排放导致的环境挑战和化工生产的经济收益,可以预见在将来也会是科学家们争相研究的方向。目前,这方面的知名科学家们(如Daniel Nocera、杨培东、Nathan Lewis等)设想通过器件来吸收太阳光,将水氧化为氧气同时将CO2还原为可以利用的含碳化合物(如CO、CH4以及其他有机分子)在上述过程中,CO2的还原通常是决速步骤。同时,如果仅仅是利用水作为还原剂,则会使得CO2的还原变得更为困难。到目前为止,基于CO2+H2O设想的器件和催化剂的效率都非常非常低,而且在过去的几年内都没有取得实质性的进展,这个思路要走下去看上去非常困难。

  考虑到CO2+H2O直接反应的困难,研究者们开始尝试引入“外力”来促进水的氧化以及CO2的还原。联想到最近十几年太阳能电池领域的快速发展,人们慢慢的将研究中心转向CO2的电催化还原。最近几年,越来越多的有关CO2电催化还原的论文出现,推动这个领域快速发展。一般来说,金属以及金属氧化物纳米粒子(比如Au、Pd、CuOx、CoOx)都可以催化CO2的电化学还原过程。对于CO2的还原来说,另一个值得关注的点就是产物的复杂性。考虑到C元素价态的多样性,CO2被还原后有可能得到非常多种产物,比如CO、HCOOH、CH4、CxHy、CH3OH、C2H5OH等等。简单的来说,产物取决于CO2分子得到的电子数以及是否发生C-C偶联反应。    

  在过去的几年,铜基电催化剂得到了大家的广泛关注。一方面是因为CO2在Cu表面的反应性能比较高;另一方面CO2还原后会得到一部分C-C偶联的产物,比如C2H4、C2H6等。而且,研究者也发现了不同形貌、不同尺寸的Cu基催化剂的活性和选择性也会有差异。但是总的来说,目前基于纯铜的电催化剂的性能还是较低,并且产物分布非常复杂,选择性不高。最近,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)Michael Grätzel教授和罗景山(Jingshan Luo)博士报道了一种简单的方法对CuO纳米线进行表面修饰——通过原子层沉积(ALD)在CuO纳米线上修饰SnO2纳米粒子,显著提高CuO纳米线阵列的电催化还原CO2的性能。而且,修饰后的CuO纳米线催化CO2还原绝大部分产物是CO,选择性超高。另外,由于这种电催化剂来源于地球含量丰富的金属元素,成本明显降低。这些成果发表于Nature Energy 之上。 

  在这项工作中,作者通过ALD技术,将有机Sn化合物作为前驱物,然后再用O3氧化得到SnO2纳米粒子,包围在CuO纳米线表面。通过ALD沉积的SnO2颗粒很小,无法从XRD和Raman光谱上看到SnO2的特征峰,但是从XPS上可以看到Sn的信号。随后,作者对CuO纳米线以及SnO2修饰的CuO纳米线的催化性能进行了有研究。CuO纳米线和SnO2修饰的CuO在一定的电势范围内的总电流密度非常接近,没有显著的差异。但有趣的是,对于CuO纳米线,H2的选择性高于CO,并且会得到比较多的其他含碳产物。但是经过SnO2表面修饰后,CO的选择性显著提高,最高可达97%。针对上述反应性能的差异,作者提出,SnO2的引入可以削弱CO和CuO表面的作用,促进CO的解离,从而实现CO的高选择性。作者还将GaInP/GaInAs/Ge太阳能电池和SnO2修饰的CuO纳米线组装在一起,得到一个直接利用太阳能来驱动CO2还原的器件,经过计算,上述器件可以13.4%的效率将太阳能转变为化学能,并且在5小时的测试中没有出现衰减。

原文链接:http://www.nature.com/articles/nenergy201787

来源:X-MOL

 
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