华中科大在3D打印分级多孔金属及电催化还原CO2获进展 

发布时间: 2021-09-23 15:40

二氧化碳是造成全球变暖的主要原因之一,而电催化还原二氧化碳为碳捕获提供了一种新的技术手段。利用CO2还原与析氢反应(HER)反应耦合,可以产生具有高经济效益的合成气(H2+CO),从而为多种工业化学反应提供前驱体。然后,现有催化剂在调控合成气比例(H2/CO)、产率以及电化学稳定性方面仍有待进一步改善。例如,大多数研发的合成气电催化剂的稳定性低于24h,限制了其实际应用。


最近,华中科技大学新金属材料研究中心柳林教授团队张诚等人通过激光3D打印技术与电化学脱合金技术复合,成功制备了具有分级多孔结构的CuAg双金属,并系统研究了其电催化还原CO2生成合成气性能与机制。通过合理设计3D打印前驱体的合金成分,成功制备出3D分级多孔与纳米尺度相分离的CuAg双金属,实现了高的法拉第效率(>92%)以及宽的合成气可调比例(H2/CO从3:1到1:2)。进一步通过构筑分级孔结构,该3D分级多孔CuAg蜂窝催化剂的合成气产率进一步提高,达到140 μmol/cm2/h,超长的电化学稳定性140h(为目前合成气文献最高值)。此外,还发现3D分级多孔CuAg的催化性能显著优于3D分级多孔Cu以及2D分级多孔CuAg。

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图1 3D打印/脱合金复合技术制备纳米多孔CuAg双金属及其结构表征


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图2 3D打印/脱合金复合技术制备纳米多孔CuAg双金属及其电催化还原CO2性能


研究发现:Ag的引入改变了Cu的能带结构,从而改善了反应动力学(Tafel斜率降低50%)并降低了电子转移电阻。而3D分级多孔CuAg的高稳定性与其跨尺度多孔结构有关,其中毫米孔促进了气泡的生长与解吸附,微米孔通过释放脱合金化中的应力使纳米多孔层与基体结合更稳定,纳米孔则极大地增加了催化剂的活性面积。本工作为开发高性能分级多孔电催化剂提供了新思路。


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图3 3D打印/脱合金复合技术制备蜂窝状分级多孔CuAg及其电催化还原CO2性能


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图4 催化机制及稳定性分析


相关工作近期发表在ACS Applied Materials & Interface (2021)上。该研究得到了国家自然科学面上基金(51771077)和湖北省杰青项目(2020CFA086)资助。该工作第一作者是2018级硕士鄢文远同学,通讯作者是张诚副教授。

来源:华中科技大学

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