韩国高等科学技术学院--通过化学气相沉积石墨烯生长得到高刻面的纳米皱铜并用于高效将CO2还原为乙醇

实现二氧化碳（CO₂）的高效电化学转化成为有价值的燃料和化学品是解决环境和能源挑战的最有希望的方向之一。虽然已有一些基于单晶的研究和模拟结果表明，富含多层Cu（100）的表面有利于向二碳醇产物转化，但大多数研究仍停留在低指数（100）的刻面或表面缺陷引起的台阶部位的低密度上。在目前的工作中，我们报道了通过化学气相沉积（CVD）石墨烯生长工艺合成具有高刻面的褶皱铜的高产乙醇催化剂。基于我们的方法，我们使用石墨烯作为引导材料来生产用作电催化剂的褶皱铜膜。石墨烯生长的Cu薄膜不仅可以批量生产，而且具有高密度的台阶位和高刻面原子排列，包括（200）和（310）刻面，这是用现有方法难以合成的。具有独特原子排列的褶皱铜膜表现出很高的乙醇选择性，室温下在-0.9 V vs可逆氢电极（RHE），达到40%的法拉第效率（FE），是迄今为止报道的铜基CO₂转化的最大值之一的选择性催化剂。二碳产物的选择性和产率为57% 的法拉第效率，在- 2.2 mA/cm², -1.1 V vs RHE条件下。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，乙醇产率高的主要原因是褶皱的（310）面具有低的C−C偶联势垒（0.5 ev），因此相比于其他产物更适合与乙醇的反应路径。

图1. 高密度铜台阶位高刻面原子排列催化剂的合成示意图及相应的表面图像。

图2. 具有高刻面原子排列的高密度Cu台阶位的交叉观察和每个纳米褶皱斜率的相关原子尺度分析。

图3. 电化学CO₂还原产物的法拉第效率与电位的关系（vs-RHE）。使用了（a）电抛光铜膜和（b）起皱铜膜，在0.1 M KHCO₃电解液中各电位的CO₂转化趋势。使用（c）电抛光铜膜和（d）褶皱铜膜，在0.1 M KCl电解质中的法拉第效率和不同的电位的结果

相关研究成果于2021年由韩国高等科学技术学院的Hee-Tae Jung，Yousung Jung和Woo-Bin Jung课题组共同发表在ACS Catalysis（doi：10.1021/acscatal.0c05263）上，原文：High Facets on Nanowrinkled Cu via Chemical Vapor Deposition Graphene Growth for Efficient CO 2 Reduction into Ethanol。