研究内容

二氧化碳还原反应(CO 2 RR)提供了一种将CO 2 转化为理想产物的有效途径，但由于CO2的损失和再生，其商业化受到巨大的能源成本的极大阻碍。在含有碱阳离子的酸性条件下进行CO 2 RR可以潜在地解决这个问题，但仍然会在高电流密度下导致(双)碳酸盐沉积，从而损害酸供给的膜电极组件中的产物法拉第效率(FE)。

苏州大学李彦光/王昱沆 提出了一种策略，通过静电相互作用固定在氧化石墨烯上的带正电荷的聚电解质聚(二烯丙基二甲基铵)来取代碱阳离子。使得在100 mA cm -2 下，在酸中的改性Ag催化剂上，CO的FE为~85%，碳效率为~93%，能量效率(EE)为~35%。在纯水进料反应器中，在40°C、100 mA cm -2 下获得了78%的CO FE和30%的EE。相关工作以“ Immobilized Tetraalkylammonium Cations Enable Metal-free CO 2 Electroreduction in Acid and Pure Water ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1. 作者通过静电相互作用制备了阳离子聚(二烯丙基二甲基氯化铵)-氧化石墨烯(PDDA-GO)来修饰Ag催化剂，来证明这种阳离子固定策略。进一步优化改性层的厚度(~0.6 µm)和组分比(PDDA:GO=1:2)促进其催化性能。

要点2 . PDDA中的N-取代的吡咯烷结构提供了阳离子效应，能在使用0.01 M H 2 SO 4 阳极电解液而没有任何金属阳离子的MEA电解槽中促进CO 2 RR转化为CO。所有性能指标都与在碱金属阳离子存在下获得的性能指标相当，甚至超过这些性能指标。

要点3. PDDA-GO改性Ag催化剂在100 mA cm -2 和3.5 V的电压下，CO的FE约为85%，碳效率(CE)约为93%，能量效率(EE)约为35%。此外，PDDA-GO修饰的Ag催化剂应用于纯水进料MEA电解槽，在3.5 V和40°C下实现70%的CO FE，没有盐沉淀和CO 2 交叉。

该策略也可以潜在地应用于Cu催化剂，通过调节界面电荷密度和选择更合适的官能团(例如咪唑和吡啶)来实现优异的性能。最后，利用固定化阳离子的策略也为研究酸性CO2RR的界面性能相互关系提供了新的思路。

研究图文

图1. CO 2 RR在不同反应介质和配置中的示意图比较。

图2. PDDA-GO改性Ag催化剂的结构表征。

图3. PDDA-GO修饰的Ag在酸性MEA中的CO 2 RR性能。

图4. PDDA-GO修饰Ag在纯水进料MEA中的CO 2 RR性能。

文献详情

Immobilized Tetraalkylammonium Cations Enable Metal-free CO 2 Electroreduction in Acid and Pure Water

Jia Fan, Binbin Pan, Jialing Wu, Chaochen Shao, Zhaoyu Wen, Yuchen Yan, Yuhang Wang,* Yanguang Li*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202317828

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