文章信息
调节铜纳米晶表面氧化态以调控电化学CO2RR产物由CH4向C2+转变
通讯作者：杨健，王进，段学志
单位：深圳大学，华东理工大学
研究背景
为在2060年前实现碳中和，电化学二氧化碳还原（CO2RR）被科研人员广泛研究。铜的价态能影响产物选择性，但在操纵铜纳米晶表面氧化态用于CO2RR选择性的调控仍然缺乏报道。
文章简介
本文中，来自深圳大学杨健助理教授和王进教授与华东理工大学段学志教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Manipulating Cu Nanoparticle Surface Oxidation States Tunes Catalytic Selectivity toward CH4 or C2+ Products in CO2 Electroreduction”的论文。
该文章提供了一种简单的水相快速合成铜纳米晶的方法，并利用不同配体的引入量调节铜纳米晶催化剂表面原子价态，最终实现电化学CO2RR产物选择性的调控。
图1. 水相铜纳米晶快速合成示意图及TEM、EDS线扫、球差表征和铜表面不同配体示意图。
本文要点
要点一：水相铜纳米晶的快速合成
常见的铜纳米晶的合成方法主要是在油相中制备而得，水相中的铜并不多见，且铜纳米晶表面原子具有高活性，极易被氧化，传统的合成方法大多耗时久，反应条件苛刻，且不易在空气中储存等缺点。
为解决上述问题，本文在室温下，采用种晶生长法快速合成了铜纳米晶，该铜纳米晶能在空气中长期保存。通过调节配体引入量还可以调控铜纳米晶的抗氧化性，在充裕的配体保护作用下具有良好的抗氧化性，而在少量配体保护的情况下表面铜原子易被氧化。该铜纳米晶易放大量合成，可轻易获得克级催化剂的制备。
要点二：调控铜纳米晶表面氧化态以调节电化学CO2RR产物选择性
铜原子的价态能影响CO2RR产物选择性已有研究证实，但对铜纳米晶催化剂的表面原子价态进行调控却鲜有报道。由于纳米级的铜具有超高的活性，在空气中对其表面原子价态的控制难度极其不易。
为实现对铜纳米晶催化剂表面铜原子价态的调控，我们在合成铜纳米晶的过程中通过调节配体引入量以调控催化剂表面氧化态，在配体充分保护的情况下，铜纳米晶表面原子呈0价。
反之，铜纳米晶表面原子极易被氧化。铜纳米晶表面原子为0价时，在200 mA cm-2的电流密度下实现了产物CH4的法拉第效率达70+%；当铜纳米晶催化剂表面铜原子存在+1时，在200 mA cm-2的电流密度下实现了产物C2+的法拉第效率达%80+%。
图2 铜纳米晶的电化学CO2RR性能。
文章链接
Manipulating Cu Nanoparticle Surface Oxidation States Tunes Catalytic Selectivity toward CH4 or C2+ Products in CO2 Electroreduction
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101424
原文刊载于【科学材料站】公众号
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