中科院化学所韩布兴/孙晓甫团队Chem Catal：电催化耦合CO2和甲醛反应

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中科院化学所韩布兴/孙晓甫团队Chem Catal：电催化耦合CO2和甲醛反应

来源：纳米人 2022-09-29

导读：近日，中国科学院化学研究所韩布兴和孙晓甫团队在Cell Press细胞出版社旗下Chem Catalysis期刊上发表了题为“Electrochemical C-C coupling between CO2 and formaldehyde into ethanol”的最新研究成果。该研究工作报道了I掺杂的Cu基催化剂，能够电催化耦合CO2和甲醛反应生成乙醇。孙晓甫研究员和韩布兴院士为通讯作者，论文第一作者为中国科学院化学研究所博士生马晓东。

成果简介

电化学CO₂还原反应 (CO₂RR) 能够实现常温常压下将CO₂转化为高附加值产品，在缓解温室效应和储存间歇性电能方面具有巨大潜力。而电化学共还原的方法实现CO₂与有机分子偶联是一种新的并十分具有潜力的CO₂电化学转化路线。甲醛 (FA) 是一种重要的工业原料和碳源。而因其毒性和污染性，FA的降解具有重要意义。因此通过电化学共还原CO₂和FA进行偶联能够同时实现FA的处理与CO₂的高附加值转化。

Cu基催化剂在CO₂RR反应中对C-C偶联具有优异的催化性能。使用Cu基催化剂能够更好的实现电催化CO₂与FA的偶联反应。卤素元素的掺杂可以抑制质子吸附，进而抑制析氢反应 (HER)。此外，卤素元素的掺杂也会影响铜基催化剂的结构，显着提高铜基催化剂对C-C偶联的催化活性。

本工作设计了一种碘掺杂的Cu基催化剂Pretreated O-CuI_1.3并首次报道了通过电化学共还原的方法将CO₂和FA 转化为乙醇 (图1)。研究表明，在H型电解池中乙醇的法拉第效率可以达到32.4%，电流密度为8.8 mA cm^-2，相应的生成率为1.6 mmol g^-1 h^-1。

图1. CO₂和甲醛共电解生成乙醇形成C-C键。

结果分析

研究团队在H型电解池中对催化剂进行性能测试。首先对比了不同卤素掺杂氧化亚铜的性能。相比于Pretreated O-CuCI_1.3和Pretreated O-CuBr_1.3，Pretreated O-CuI_1.3显示了更为优秀的催化性能 (图2A和B)。乙醇的法拉第效率可以达到32.4%，电流密度为8.8 mA cm^-2，相应的生成率为1.6 mmol g^-1 h^-1。而随着I掺杂量由改变，乙醇的法拉第效率也明显的降低(图2C)。这可能归因于Cu的电子结构的优化。而随着电解液中FA含量从1M逐渐增加到5M，乙醇的FE先增大后减小，当FA浓度为3M时乙醇的法拉第效率达到最高 (图2D)。研究者认为FA对电极界面的传质限制会对电催化CO₂和FA反应产生乙醇具有很大的影响。在一个工作循环中，反应的电流密度和乙醇的法拉第效率是十分稳定的，并且在连续进行了5次工作循环后电流密度和乙醇的法拉第效率没有明显衰减。这表明Pretreated O-CuI_1.3作为催化剂具有良好的稳定性。

图 2. 电催化CO₂和FA共还原电合成乙醇的催化性能。

为了深入了解电催化CO₂和FA反应合成乙醇的机理，研究团队对催化剂进行了原位X射线吸收光谱 (XAFS，图3C,D,E)，原位X射线发射光谱 (XES，图3A,B)，原位红外光谱 (图4A) 以及原位拉曼光谱 (图4B,C) 测试。在原位XAFS与原位XES中可以确认在反应过程中，Pretreated O-CuI_1.3中的Cu作为反应的活性位点维持稳定的正价态。在原位红外光谱与原位拉曼光谱中发现了电催化CO₂和FA反应过程的中间体。