何会兵/徐晶Angew.：气氛诱导氧空位实现Cu 单原子电催化还原CO2为CH4!

研究内容

电化学二氧化碳还原（ECO 2 RR）显示出制造高价值碳基化学品的巨大潜力，而在原子水平上设计先进的催化剂仍然具有挑战性。ECO 2 RR性能在很大程度上取决于催化剂微电子结构，该结构可以通过表面缺陷工程进行有效调节。

广西大学何会兵/华东理工大学徐晶提供了一种大气辅助低温煅烧策略，制备一系列具有不同氧空位浓度的单原子Cu/二氧化铈催化剂，用于将二氧化碳稳健电解还原为甲烷。在流动池中，在H 2 环境下获得的Cu/二氧化铈催化剂（Cu/ceria-H 2 ）在150 mA cm −2 的工业规模电流密度下，甲烷法拉第效率（FE CH4 ）为70.03%，翻转频率（TOF CH4 ）为9946.7 h −1 。相关工作以“Atmosphere Induces Tunable Oxygen Vacancies to Stabilize Single-Atom Copper in Ceria for Robust Electrocatalytic CO2Reduction to CH4 ”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者报道了一系列在可变反应气氛（空气、Ar和H 2 ）下通过低温退火控制氧空位浓度的Cu/二氧化铈催化剂。进一步通过电子顺磁共振（EPR）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）证明了三种煅烧环境下催化剂上氧空位数量的差异。X射线吸收近边结构（XANES）证实了Cu/ceria-H 2 催化剂的单原子结构，Cu的主要价态为+1。

要点2.与Cu/铈空气和Cu/铈Ar相比，Cu/铈H 2 催化剂具有最多的氧空位，有助于稳定更具活性的Cu + 。富含氧空位的Cu/ceria-H 2 在-1.49 V vs RHE下表现出70.03%的高FE CH4 ，远远超过了Cu/ceria-Air（47.11%）和Cu/ceria-Ar（39.91%）的对应物。

要点3.操作衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）和理论计算表明，氧空位可以提高CO 2 的活化程度和关键中间体（*COOH和*CO）的吸附，从而促进电荷转移动力学和甲烷生产率。

本研究通过反应气氛控制表面微观结构，为设计有效的CO2转化为CH4的电催化剂提供了深刻的见解。

研究图文

图1. 材料制备和物理特性。

图2. ECO 2 RR-CH 4 的性能。

图3. ECO 2 RR后Cu/ceria-H 2 的结构表征。

图4. 内在活动的力学研究。

图5. ECO 2 RR选择性与Cu位点氧空位的关系。

文献详情

Atmosphere Induces Tunable Oxygen Vacancies to Stabilize Single-Atom Copper in Ceria for Robust Electrocatalytic CO 2 Reduction to CH 4

Fang Huang, Xiangyu Chen, Huanhuan Sun, Qingduo Zeng, Junjie Ma, Dong Wei, Jinliang Zhu, Zhengjun Chen, Taoyuan Liang, Xucai Yin, Xijun Liu, Jing Xu*, Huibing He*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202415642

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