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研究内容
铜(Cu)催化的电化学CO2还原反应(CO2RR)性能对其实际应用至关重要。尽管如此，可润湿的原始Cu表面受CO2暴露量低的影响，降低了多碳(C2+)产品的法拉第效率(FE)和电流密度。最近研究表明，通过阳离子交换离聚物增加CO2的表面可用性可提高C2+产物的形成速率。然而，由于*CO的快速形成和消耗，这将缩短*CO的停留时间，*CO的吸附决定了C2+的选择性，因此所得的C2+FE仍然较低。
苏州大学王昱沆、西南民族大学阳耀月、新西兰奥克兰大学王子运和复旦大学郑耿锋发现季铵基官能化聚山梨醇酮离聚物的强疏水性会导致的反应界面动电阻滞可以极大地延长*CO在Cu上的停留时间。这种非常规的动电效应表现为Tafel斜率的增加和*CO覆盖率变化对电势的敏感性的降低。结果显示，在223 mA cm-2的部分电流密度下，强疏水性Cu电极表现出~90%的C2+法拉第效率(FE)，是裸露或亲水性Cu表面的两倍多。相关工作以“Promoting CO2Electroreduction to Multi-Carbon Products by Hydrophobicity-Induced Electro-Kinetic Retardation”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
研究要点
要点1.作者使用季铵基官能化聚山梨醇修饰的聚四氟乙烯负载的Cu(Cu-PTFE)电极，该电极具有高度疏水的Cu表面。进一步发现了一种不同的机制，即动电阻滞可以延长Cu表面*CO的停留时间，提供高的C-C耦合概率，促进C2+产物FEs。
要点2.动力学分析表明，随着CO和C2H4产生的Tafel斜率的增加，C2+FE得到了极大的改善。疏水性与*CO覆盖率变化对阴极电位的敏感性之间存在负相关。这些现象证实了由于强的表面疏水性而存在电动阻滞和*CO在Cu上的驻留延长。
要点3.在纯水进料零间隙反应器中，具有最强疏水性的改性Cu能够在180 mA cm-2下使C2+产物的FE达到约70%，与具有亲水离聚物涂层的Cu相比，提高了3.5倍。当使用0.1 M KHCO3电解液时，最疏水的Cu电极在200 mA cm-2，稳定的55 h电解下表现出约90%的C2+FE。最高的C2+部分电流密度达到223 mA cm-2，与亲水性Cu表面相比，相应地提高了2倍。
研究图文
图1. 通过动电阻滞增强C2+选择性的示意图。
图2. 纯水电解质中三电极零间隙反应器中的电催化选择性和动力学。
图3. Operando ATR-SERAS和DFT研究。
图4. 优化的CO2RR性能。
文献详情
Promoting CO2 Electroreduction to Multi-Carbon Products by Hydrophobicity-Induced Electro-Kinetic Retardation
Mengjiao Zhuansun, Yue Liu, Ruihu Lu, Fan Zeng, Zhanyou Xu, Ying Wang, Yaoyue Yang,* Ziyun Wang,* Gengfeng Zheng,* Yuhang Wang*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202309875
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