近日，我所催化基礎國家重點(diǎn)實(shí)驗室碳基資源電催化轉化研究組（523組）在一氧化碳（CO）電解制燃料和化學(xué)品方面取得新進(jìn)展，利用催化劑納米顆粒間距離調控產(chǎn)物選擇性的新策略，實(shí)現了工業(yè)級電流密度下高選擇性CO電解制乙酸。
CO電解是串聯(lián)電解CO2制多碳產(chǎn)物（CO2-CO-C2+）反應路線(xiàn)中的重要環(huán)節，但當前CO電解難以在工業(yè)級電流密度下高選擇性生成單一C2+產(chǎn)物。目前的產(chǎn)物選擇性調控策略主要集中在原子/納米尺度上的催化活性位結構設計。另一方面，介觀(guān)尺度上的物質(zhì)傳輸過(guò)程會(huì )顯著(zhù)影響催化活性中心附近的反應微環(huán)境，對產(chǎn)物選擇性的調控同樣至關(guān)重要，但該問(wèn)題在以往研究中經(jīng)常被忽視。
本工作中，團隊通過(guò)機械混合不同比例的銅納米顆粒與導電炭黑這一簡(jiǎn)易方法，構建了一系列銅納米顆粒間距離可調（0至226 nm）的模型氣體擴散電極，并應用于工業(yè)級電流密度下的堿性CO電解。研究發(fā)現，隨著(zhù)銅納米顆粒間距離增加，乙烯選擇性不斷降低，同時(shí)乙酸選擇性迅速增加，逐漸成為主導的反應產(chǎn)物。數值計算結果表明，相對于純銅納米顆粒催化劑，利用導電炭黑增加顆粒間距離后，銅納米顆粒的局部CO濃度和局部pH升高，有利于乙酸生成路徑。團隊進(jìn)一步耦合外部反應條件（CO壓力和KOH電解液濃度），實(shí)現了高選擇性CO電解制乙酸。在優(yōu)化反應條件下，乙酸法拉第效率和分電流密度分別達到77.5%和705mA/cm2，乙酸收率最高為82.3%。該研究將在介觀(guān)尺度上影響物質(zhì)傳輸的顆粒間距離效應拓展到工業(yè)相關(guān)條件下的CO電解反應，研究結果表明顆粒間距離可作為催化反應產(chǎn)物選擇性的一種介觀(guān)尺度描述符。
相關(guān)研究成果以“Interparticle Distance Matters for Selectivity Control in Industrially Relevant CO Electrolysis”為題，于近日發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì )能源快報》（ACS Energy Letters）上。該工作的第一作者是我所523組已畢業(yè)碩士研究生榮佑文。上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省興遼英才計劃、我所創(chuàng )新基金等項目的支持。（文/圖 榮佑文、高敦峰）
