【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】通過CO2電還原(eCO2RR)將溫室氣體CO2轉(zhuǎn)化為CO的經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，產(chǎn)物在化學(xué)工業(yè)制備燃料方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，高效的eCO2RR制CO過程通常需要使用金(Au)、銀(Ag)和鈀(Pd)等貴金屬催化劑，而貴金屬的稀缺性和高成本限制了廣泛應(yīng)用。鋅(Zn)作為一種成本效益更高的經(jīng)濟(jì)替代品，因其在地殼中的高豐度、結(jié)構(gòu)形貌可調(diào)性以及在eCO2RR中對(duì)CO的選擇性而受到較多的關(guān)注，然而現(xiàn)有Zn基催化劑的選擇性、催化活性和穩(wěn)定性都有待提高。
針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(以下簡(jiǎn)稱“上海高研院”)魏偉、陳為研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了氧化物衍生的鋅中空纖維透散電極，系統(tǒng)研究了電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與透散效應(yīng)改善局部微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)具有可觀應(yīng)用前景的安培級(jí)CO2電還原。研究成果以“Zinc Hollow-Fiber Penetration Electrode Promotes Ampere-Level CO2 Electroreduction for Viable Applications”為題在線發(fā)表于催化期刊ACS Catalysis。
研究人員開發(fā)了一種新型Zn HPE材料具有優(yōu)良的eCO2RR制CO性能，在800 mA cm−2電流密度下運(yùn)行110小時(shí)，CO法拉第效率仍能維持90%。經(jīng)濟(jì)性評(píng)估表明，每噸CO的電極材料成本僅為58.01美元，總成本降至385.53美元/噸，綜合性能優(yōu)于最近報(bào)道的具有代表性的先進(jìn)電催化劑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型相結(jié)合，證實(shí)Zn HPE的透散模式通過多孔壁強(qiáng)制CO2向電解液透散，顯著提高了CO2的溶解速率和局部富集濃度，從而大幅提升了CO2傳質(zhì)效率，使eCO2RR在高電流密度下保持高效運(yùn)行。DFT計(jì)算表明，局部高CO2覆蓋度可降低關(guān)鍵中間體形成能壘，增強(qiáng)CO選擇性的同時(shí)有效抑制HER。
該工作為推進(jìn)鋅基電催化劑工業(yè)級(jí)CO2轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供了新思路。論文第一作者為上?？萍即髮W(xué)與上海高研院聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉小虎、上海高研院李守杰副研究員和陳奧輝博士后，通訊作者為上海高研院董笑副研究員、陳為研究員和魏偉研究員。上述研究得到了中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部催化科學(xué)重點(diǎn)專項(xiàng)、上海市科技委員會(huì)碳中和項(xiàng)目以及內(nèi)蒙科技廳重大項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。(圖/文 劉小虎、董笑、陳為)
鋅中空纖維電極透散效應(yīng)的氣液固三相界面反應(yīng)強(qiáng)化機(jī)制示意圖
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