用于CO₂转化的稳定的铜催化剂

诸平

据波鸿鲁尔大学（Ruhr University-Bochum）2021年3月26日提供的消息，该校研究人员可以将CO₂通过一种新型铜催化剂转化为燃料或工业化学品原料。然而，到目前为止，缺乏长期稳定的催化剂，此技巧可以解决这个难题。

波鸿鲁尔大学和杜伊斯堡－埃森大学（University of Duisburg-Essen）的研究人员已经开发出一种新型催化剂，可将二氧化碳（CO₂）转化为化学物质或燃料。他们优化了已经可用的铜催化剂，以提高其选择性和长期稳定性。由宋燕芳博士（Dr. Yanfang Song音译）和波鸿电化学中心（Bochum Center for Electrochemistry）的沃尔夫冈·舒曼（Wolfgang Schuhmann）教授领导的研究团队与杜伊斯堡-埃森技术化学三组（Duisburg-Essen Technical Chemistry III group）的科琳娜·安德罗涅斯库（Corina Andronescu）教授领导的研究团队一起合作完成，此研究结果于2021年2月9日已经在德国《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）杂志网站在线发表——Dr. Yanfang Song, João R. C. Junqueira, Dr. Nivedita Sikdar, Dr. Denis Öhl, Stefan Dieckhöfer, Thomas Quast, Dr. Sabine Seisel, Dr. Justus Masa, Prof. Corina Andronescu, Prof. Wolfgang Schuhmann. B-Cu-Zn gas diffusion electrode for CO₂ Electric reduction to C₂₊ High current density products. Angewandte Chemie International Edition, First published: 09 February 2021. DOI: 10.1002/anie.202016898. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202016898

硼使铜催化剂稳定（Boron makes copper catalyst stable）

温室气体CO₂可以转化为较大的碳化合物，可以作为工业中的基础化学品或燃料使用。研究人员正在追求在可再生能源的帮助下进行电化学转化CO₂的想法。这不仅会创造有用的产品，也可以用作可再生能源的储存。铜在先前的研究中已经被证明是有希望的催化剂，但是它必须以部分带正电的离子的形式存在-这正是问题所在。

在常规反应条件下，铜从其带正电荷的形式迅速转变为中性态，这不利于形成具有两个以上碳原子的产物，从而使催化剂失活。

因此，来自波鸿鲁尔大学和杜伊斯堡－埃森大学的研究小组用硼改性了铜催化剂，研究人员测试了各种铜硼比率，并确定了最佳组成，以促进形成两个以上碳原子的化合物。他们的研究还表明，硼铜催化剂可以在工业规模所需的电流密度下发挥催化作用。

锌可防止腐蚀（Zinc prevents corrosion damage）

他们以气体扩散电极（gas diffusion electrode）的形式实施该系统，其中固体催化剂催化液相和气相之间的电化学反应。重要的是，要使足够的CO₂溶解在气相和液相之间的边界区域中。科学家通过使用特殊的粘合剂成功地做到了这一点。

另一个挑战是保持系统长期稳定。例如，重要的是防止电极腐蚀。为此，化学家将所谓的由锌制成的牺牲阳极（sacrificial anode）集成到系统中。由于锌是一种比铜更廉价，因此在保留铜的同时会使锌先被腐蚀。

沃尔夫冈·舒曼总结道：“将气体扩散电极中的选择性和活性催化剂材料与添加稳定的锌相结合，是迈向使用CO₂合成基础工业用化学品或者燃料的重要一步。”

鲁尔大学联盟（University Alliance Ruhr）及其它

自2007年以来，鲁尔地区的三所大学一直在鲁尔大学联盟（UA Ruhr）的保护下进行战略合作。通过合力，伙伴大学的服务得到系统地扩展。在“团结力量大（better together）”的座右铭下，现在在研究，教学和管理方面有100多个合作。UA Ruhr拥有12万多名学生和近1300名教授，是德国最大，功能最强大的科学机构之一。 

该项目的资金支持来自欧洲研究委员会，这是欧盟Horizo​​n 2020研究与创新计划的一部分（CasCat，833408）；来自德国研究基金会，是FOR 2397e2研究小组的一部分；而鲁尔研究卓越解决方案集群，简称RESOLV（EXC 2033– 390677874），来自联邦教育和研究部（MatGasDif，03XP0263），亚历山大·冯·洪堡基金会和国际清洁能源人才计划。上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Zinc oxide: An important component of the methanol synthesis reaction on a copper catalyst

Abstract

Electroreduction of CO₂ to multi‐carbon products has attracted considerable attention as it provides an avenue to high‐density renewable energy storage. However, the selectivity and stability under high current densities are rarely reported. Herein, B‐doped Cu (B‐Cu) and B‐Cu‐Zn gas diffusion electrodes (GDE) were developed for highly selective and stable CO₂ conversion to C₂₊ products at industrially relevant current densities. The B‐Cu GDE exhibited a high Faradaic efficiency of 79 % for C₂₊ products formation at a current density of −200 mA cm⁻² and a potential of −0.45 V vs. RHE. The long‐term stability for C₂₊ formation was substantially improved by incorporating an optimal amount of Zn. Operando Raman spectra confirm the retained Cu⁺ species under CO₂ reduction conditions and the lower overpotential for *OCO formation upon incorporation of Zn, which lead to the excellent conversion of CO₂ to C₂₊ products on B‐Cu‐Zn GDEs.