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【DFT+實驗】Small:CuNi@C/N-npG助力電催化CO2還原為乙醇

【DFT+實驗】Small:CuNi@C/N-npG助力電催化CO2還原為乙醇
開發在寬電位范圍內具有更高選擇性和活性的穩定催化劑,對于有效地將CO2轉化為乙醇至關重要。
基于此,曲阜師范大學張永政教授和Weining Zhang、山東大學樊唯鎦教授等人報道了碳包封的CuNi納米顆粒錨定在氮摻雜的納米多孔石墨烯上(CuNi@C/N-npG)復合材料,并在寬電位窗口(600 mV)下表現出優異的CO2還原性能,具有較高的乙醇法拉第效率(FEethanol ≥ 60%)。
同時,在-0.78 V時也獲得了最佳陰極能量效率(47.6%)、法拉第效率(84%)和選擇性(96.6%)。
【DFT+實驗】Small:CuNi@C/N-npG助力電催化CO2還原為乙醇
通過DFT計算發現,電子從Cu轉移到Ni-N-C是由于金屬(Cu和Ni)的不同電負性以及通過N-npG的離域π電子系統存在更強的金屬-載體相互作用(Ni-N-C)。結果表明,表面Cu原子的電子密度降低,有利于Cuδ+的生成。
Cuδ+和Cu0在CuNi@C/N-npG表面的共存對乙醇生產具有重要作用,而對于Cu@C/N-npG相對較弱的Cu-N-C鍵相互作用對表面電子態的影響較小,因此Cu@C/N-npG中的Cuδ+更可能來源于Cu-N配位。
【DFT+實驗】Small:CuNi@C/N-npG助力電催化CO2還原為乙醇
通過表面Cu原子的偏態密度(PDOS)發現,Cu的d波段中心從Cu@C/N-npG中的-2.31 eV上移到CuNi@C/N-npG中的-2.23 eV,表明CuNi@C/N-npG中中間體的結合更為合適。結果表明,CO2的前沿軌道與Cu的d軌道之間較強的軌道相互作用可以明顯提高催化活性。
作者還計算了CO2RR與HER之間的極限電位差,對比Cu@C/N-npG,CuNi@C/N-npG的正值更高,說明其對CO2轉化為乙醇的選擇性更高,對HER的抑制效果更好,進一步證明了CuNi@C/N-npG表面活性位點的反應活性更高。
【DFT+實驗】Small:CuNi@C/N-npG助力電催化CO2還原為乙醇
Regulated Surface Electronic States of CuNi Nanoparticles through Metal-Support Interaction for Enhanced Electrocatalytic CO2 Reduction to Ethanol. Small, 2023.

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