不同预处理的氧化亚铜纳米线电极诱导的晶面效应提升电化学CO_(2)还原为多碳产物

摘要

近年来,由于化石燃料不断消耗造成的二氧化碳气体过量排放,对人类生活环境造成越来越大的威胁.电催化二氧化碳还原反应是一种很有前景的解决方法,可回收废弃的二氧化碳并通过将其转化为可再生的燃料和化学品来最终实现碳循环.在各种还原产物中,多碳化学产物因其具有高能量密度和高商业价值而备受青睐.然而,由于涉及多个复杂的反应途径,设计对多碳产物高活性的催化剂仍然是一个关键挑战.铜是目前最有前途的催化剂之一,它具有独特的电子结构来吸附CO中间体,从而促进后续C-C偶联成多碳产物.虽然Cu基催化剂在电催化二氧化碳还原过程中取得了很大的进展,但其内在的构效关系尚不清楚.本文对氧化亚铜纳米线进行不同处理,制备了纳米颗粒和纳米片形貌的预催化剂,并发现了预还原过程中形貌和晶面发生了重构,对多碳产物的产生表现出最好的选择性,其法拉第效率为67.5%.X射线衍射结果表明,纳米片衍生的铜催化剂在预还原后发生了晶面的重构,其中铜(100)晶面相对于其他两个晶面呈现大量暴露.采用循环伏安法测试二氧化碳还原实验后三种电极的OH^(-)吸附曲线,结果进一步证实了铜(100)晶面在预还原后大量暴露.由于丰富的铜(100)晶面的选择性暴露可以增强CO的吸附并提高表面*CO的覆盖率,进一步促进C-C的二聚,从而提高催化生成多碳产物的活性.X射线光电子能谱结果表明,三种催化剂预还原后,表面铜均呈现零价和一价,没有二价铜的存在.本文还比较了三种催化剂的双层电容,并计算了它们的电化学活性面积,以研究三种催化剂的粗糙度效应对二氧化碳还原产物的影响.结果表明,三种催化剂有着相似的粗糙度,从而排除了由于粗糙度不同引起的二氧化碳还原产物不同分布的影响.此外,成功合成了铜(100)、铜(110)和铜(111)单晶电极,并在相同条件下分别进行电催化二氧化碳还原研究.结果表明,铜(100)晶面更有利于电催化二氧化碳还原中多碳产物的生成.综上可见,预处理和结构演变对铜基电催化剂催化二氧化碳还原的产物分布影响显著,为合理设计高效的二氧化碳还原电催化剂提供了一种新的策略.