慕尼黑大学和中南大学Junwei Fu课题组--突破 Cu 纳米针的 K+浓度限制，用于酸性电催化 CO2 还原制多碳产物

在酸性电解质中电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）生成多碳产物（C₂₊）是解决当前气候和能源危机的最先进途径之一。然而，竞争性析氢反应（HER）和对有价值的C₂₊产物的选择性差是这些技术升级的主要障碍。阴极表面局部高钾离子 (K⁺) 浓度可以抑制质子扩散并加速所需的碳-碳 (C-C) 偶联过程。然而，钾盐在本体溶液中的溶解度限制限制了反应位点可达到的最大 K⁺ 浓度，从而限制了大多数电催化剂的整体酸性 CO₂RR 性能。在这项工作中，我们证明 Cu 纳米针诱导超高局部 K⁺ 浓度 (4.22 M)，从而打破 K⁺ 溶解度极限 (3.5 M)，从而在 pH=1 的 3 M KCl 中实现高效的 CO₂RR。因此，在 1400 mA cm^-2 下，C₂₊ (FE_C2+) 的法拉第效率可达 90.69±2.15%，同时 CO₂ 流量为 7 时单程碳效率 (SPCE) 为 25.49±0.82% SCCM。

         

Fig 1. 通过 COMSOL 模拟研究催化剂的表面微环境。(a) CuNN 表面附近的电场分布。(b) 3 M KCl 中 CuNN 表面的 K⁺ 浓度分布。白色表示不存在 K⁺ 离子。(c) 不同 K⁺ 浓度的本体电解质中 CuNN 和 Cu 膜的表面吸附 K⁺ 浓度。虚线是K⁺浓度极限。(d) 不同 K⁺ 浓度的本体电解质中催化剂表面附近 OH^- 的浓度分布.

Fig 2. (a) CuNN 合成过程的示意图。(b) PTFE 基底上的 CuNN、CuNP 和 Cu 薄膜的 XRD 图案。(c-e) 分别为 Cu 薄膜、CuNP 和 CuNN 的 SEM 图像。(f) CuNN 的 TEM 图像。(g) 来自 CuNN 的单个纳米针的 HAADF-STEM 图像。

Fig 3. (a) 使用离子色谱 (IC) 测定电极表面吸附 K⁺ 浓度的示意图。(b) 不同 K⁺ 本体浓度下 Cu 膜、CuNP 和 CuNN 上吸附 K⁺ 浓度的比较。(c–e) 在不同施加电位和不同 K⁺ 体积浓度下在 CuNN 上获得的原位衰减全反射 FTIR 光谱：(c) 1 M KCl、(d) 2 M KCl 和 (e) 3 M KCl（电位 vs .Ag/AgCl)。

Fig 4. (a) CuNN、(b) CuNP 和 (c) Cu 薄膜在不同电流密度下获得的 CO₂RR 产物分布。 (d) 在不同 K⁺ 浓度的本体电解质中，不同施加电压下 C₂₊ 的电流密度。 (e) 使用不同 CO₂ 气体流速在 800 mA cm^-2 下获得的 CuNN 的 C₂₊ 产品的 FE 和 SPCE。 (f) FE_C2+、FE_C1、FE_H2、C₂₊ 的电流密度以及本体 pH 值与其他报道的 CO₂RR 系统的比较。

相关研究工作由慕尼黑大学Emiliano Cortes和中南大学Min Liu、Junwei Fu课题组于2023年在线联合发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊上，原文：Breaking K⁺ Concentration Limit on Cu Nanoneedles for Acidic Electrocatalytic CO₂ Reduction to Multi-Carbon Products。

https://doi.org/10.1002/anie.202309351