二氧化碳是造成全球變暖的主要原因之一，而電催化還原二氧化碳為碳捕獲提供了一種新的技術(shù)手段。利用CO2還原與析氫反應(yīng)（HER）反應(yīng)耦合，可以產(chǎn)生具有高經(jīng)濟(jì)效益的合成氣(H2+CO)，從而為多種工業(yè)化學(xué)反應(yīng)提供前驅(qū)體。然后，現(xiàn)有催化劑在調(diào)控合成氣比例（H2/CO）、產(chǎn)率以及電化學(xué)穩(wěn)定性方面仍有待進(jìn)一步改善。例如，大多數(shù)研發(fā)的合成氣電催化劑的穩(wěn)定性低于24h，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

最近，華中科技大學(xué)新金屬材料研究中心柳林教授團(tuán)隊(duì)張誠(chéng)等人通過(guò)激光3D打印技術(shù)與電化學(xué)脫合金技術(shù)復(fù)合，成功制備了具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的CuAg雙金屬，并系統(tǒng)研究了其電催化還原CO2生成合成氣性能與機(jī)制。通過(guò)合理設(shè)計(jì)3D打印前驅(qū)體的合金成分，成功制備出3D分級(jí)多孔與納米尺度相分離的CuAg雙金屬，實(shí)現(xiàn)了高的法拉第效率（>92%）以及寬的合成氣可調(diào)比例（H2/CO從3：1到1:2）。進(jìn)一步通過(guò)構(gòu)筑分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，該3D分級(jí)多孔CuAg蜂窩催化劑的合成氣產(chǎn)率進(jìn)一步提高，達(dá)到140 μmol/cm2/h，超長(zhǎng)的電化學(xué)穩(wěn)定性140h（為目前合成氣文獻(xiàn)最高值）。此外，還發(fā)現(xiàn)3D分級(jí)多孔CuAg的催化性能顯著優(yōu)于3D分級(jí)多孔Cu以及2D分級(jí)多孔CuAg。

圖1 3D打印/脫合金復(fù)合技術(shù)制備納米多孔CuAg雙金屬及其結(jié)構(gòu)表征

圖2 3D打印/脫合金復(fù)合技術(shù)制備納米多孔CuAg雙金屬及其電催化還原CO2性能

研究發(fā)現(xiàn)：Ag的引入改變了Cu的能帶結(jié)構(gòu)，從而改善了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（Tafel斜率降低50%）并降低了電子轉(zhuǎn)移電阻。而3D分級(jí)多孔CuAg的高穩(wěn)定性與其跨尺度多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中毫米孔促進(jìn)了氣泡的生長(zhǎng)與解吸附，微米孔通過(guò)釋放脫合金化中的應(yīng)力使納米多孔層與基體結(jié)合更穩(wěn)定，納米孔則極大地增加了催化劑的活性面積。本工作為開發(fā)高性能分級(jí)多孔電催化劑提供了新思路。

圖3 3D打印/脫合金復(fù)合技術(shù)制備蜂窩狀分級(jí)多孔CuAg及其電催化還原CO2性能

圖4 催化機(jī)制及穩(wěn)定性分析

相關(guān)工作近期發(fā)表在ACS Applied Materials & Interface (2021)上。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)面上基金（51771077）和湖北省杰青項(xiàng)目（2020CFA086）資助。該工作第一作者是2018級(jí)碩士鄢文遠(yuǎn)同學(xué)，通訊作者是張誠(chéng)副教授。

來(lái)源：華中科技大學(xué)

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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c10564