非晶CuSBox复合催化CO2电催化还原为CO
学术背景
随着全球气候变化问题的加剧，减少二氧化碳（CO2）排放并寻找可持续的能源解决方案成为科学研究的重要方向。电催化还原二氧化碳（CO2RR）是一种将CO2转化为有价值化学品和燃料的绿色技术，具有巨大的应用潜力。然而，尽管在该领域取得了显著进展，CO2RR在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是如何在高电流密度下实现目标产物的高效选择性生产。其中一个主要问题是CO2在电解液中的低溶解度，这导致阴极表面CO2供应不足，进而限制了反应效率。
为了克服这一问题，研究人员致力于开发新型电催化剂，并探索CO2需求与供应之间的动态关系。本研究通过原位合成非晶态铜锑氧化物（CuSbOx）阴极，系统研究了CO2RR中CO2需求与供应对催化性能的影响，揭示了CO2供应能力对电催化性能的决定性作用。
论文来源
本论文由Huai Qin Fu、Tingting Yu、Jessica White等研究人员共同完成，研究团队来自澳大利亚格里菲斯大学（Griffith University）、华东理工大学（East China University of Science and Technology）等机构。论文于2025年3月13日发表在Chem期刊上，题为“Amorphous CuSbOx Composite-Catalyzed Electrocatalytic Reduction of CO2 to CO: CO2 Demand-Supply-Regulated Performance”。
研究流程
1. 非晶态CuSbOx阴极的制备
研究人员通过电化学转化方法，在原位CO2RR条件下将预先固定在碳纸上的CuSbS2前驱体转化为非晶态CuSbOx阴极。具体步骤如下： - 前驱体合成：采用溶剂热法合成CuSbS2前驱体，并通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和透射电子显微镜（TEM）对其结构和形貌进行表征。 - 电化学转化：将CuSbS2负载的碳纸在CO2饱和的0.5 M KHCO3电解液中，施加-1.0 V（vs. RHE）的阴极电位，进行1小时的电化学转化，生成非晶态CuSbOx。
2. 电催化性能评估
在三电极电化学系统中，研究人员对CuSbOx阴极的CO2RR性能进行了评估，具体包括： - 电流密度和法拉第效率：在不同阴极电位和催化剂负载密度下，测量总电流密度（jtotal）、CO部分电流密度（jco）和H2部分电流密度（jh2），并计算CO和H2的法拉第效率（FEco和FEh2）。 - 稳定性测试：在-1.0 V（vs. RHE）下进行27小时的连续电解，观察jco和FEco的变化。
3. CO2需求与供应关系研究
通过实验和计算模拟，研究人员系统地研究了CO2需求与供应对CuSbOx阴极性能的影响： - 实验研究：在H型电池和气体扩散电极（GDE）流式电池中，评估不同催化剂负载密度下的CO2RR性能。 - 计算模拟：采用COMSOL Multiphysics有限元方法，建立阴极/电解液界面模型，模拟CO2浓度分布和电流密度。
4. 结构与化学状态表征
通过X射线吸收光谱（XAS）、拉曼光谱和X射线衍射（XRD）等技术，研究人员对CuSbOx阴极的结构和化学状态进行了详细表征，确认其在CO2RR条件下的稳定性。
主要结果
1. 非晶态CuSbOx阴极的制备与表征
- 结构表征：XRD和拉曼光谱显示，CuSbS2前驱体完全转化为非晶态CuSbOx，且具有均匀分布的Cu、Sb和O元素。
- 电化学性能：在-1.0 V（vs. RHE）下，CuSbOx阴极在H型电池中实现了27.2 mA cm⁻²的jco和91.2%的FEco，在GDE流式电池中实现了283 mA cm⁻²的jco和81.5%的FEco。
2. CO2需求与供应关系
- 催化剂负载密度的影响：随着催化剂负载密度的增加，jco先迅速增加，随后趋于平稳，表明CO2供应达到最大容量。
- 计算模拟结果：模拟显示，在H型电池中，CO2供应能力限制了jco的最大值；在GDE流式电池中，CO2供应能力显著提高，但仍为性能限制因素。
3. 结构与化学稳定性
- XAS分析：Cu和Sb的K-edge XAS光谱显示，CuSbOx阴极在CO2RR条件下保持稳定的Cu2O和Sb2O3结构单元。
- 稳定性测试：在27小时的连续电解中，jco和FEco基本保持不变，表明CuSbOx阴极具有优异的电化学稳定性。
结论与意义
本研究通过原位合成非晶态CuSbOx阴极，系统研究了CO2RR中CO2需求与供应对催化性能的影响，揭示了CO2供应能力对电催化性能的决定性作用。研究结果表明，尽管GDE流式电池中的CO2供应能力显著高于H型电池，但其性能仍受CO2供应容量的限制。这一发现为设计和优化电催化剂提供了重要指导，并强调了在评估电催化性能时考虑CO2供应能力的重要性。
研究亮点
- 原位合成非晶态CuSbOx阴极：通过电化学转化方法，在CO2RR条件下直接制备了高稳定性的非晶态CuSbOx阴极。
- CO2需求与供应关系的定量研究：通过实验和计算模拟，系统揭示了CO2需求与供应对电催化性能的影响。
- 高性能CO2RR催化剂：在GDE流式电池中，CuSbOx阴极实现了283 mA cm⁻²的jco，展示了其在高电流密度下的应用潜力。
- 结构与化学稳定性：通过多种表征技术，确认了CuSbOx阴极在CO2RR条件下的稳定性，为其实际应用提供了保障。
其他有价值的信息
本研究还通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Cu2O和Sb2O3协同作用对CO2RR活性和选择性的提升机制，为进一步优化催化剂设计提供了理论依据。
这篇研究不仅为CO2RR催化剂的开发提供了新的思路，也为理解电催化性能与反应条件之间的关系提供了重要见解，具有重要的科学价值和实际应用意义。