博文
何鸣元院士、韩布兴院士等人GEE：铜铈界面强金属-载体相互作用高效电催化CO2制备乙烯
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背景图片来源：GEE编委杨金龙院士摄影作品
研究背景
碳中和背景下，二氧化碳的高效转化利用成为化学家们关注的焦点。电化学转化CO2因为其反应条件温和，设备投资少，对环境友好等特点，引起了广泛的关注。然而目前对于乙烯，乙醇，异丙醇等多碳产物的选择性仍然有待提高。在众多电催化还原 CO2 制备C2+产物的体系中，Cu是最有代表性的活性组分。金属与载体强相互作用被广泛应用于CO氧化，CO/ CO2氢化，水煤气转化（WGS）等研究领域。在电还原CO2领域，研究者们也开展了增强CO2RR活性的SMSI研究，但产品主要局限于C1类化学品。
研究内容
在本研究中，我们通过沉积沉淀法-煅烧法制备了金属与载体强相互作用的CuO/CeO2-SMSI和金属与载体弱相互作用CuO/CeO2-WMSI催化剂。通过XRD和TEM表征，两种催化剂均没有明显的铜物种出现，这可能是因为铜的尺寸较小。通过XPS表征，发现铜主要是以氧化铜的形式存在，并且CuO/CeO2-SMSI中Ce3+的含量要高于CuO/CeO2-WMSI，这可能是由于空气煅烧导致CuO和CeO2之间产生强烈的相互作用。
图1.（a）CuO/CeO2-SMSI催化剂的扫描电镜图；(b)CuO/CeO2催化剂的XRD谱图；（c）CuO/CeO2-SMSI催化剂的Cu 2p谱;(d) CuO/CeO2-SMSI催化剂Ce 3d光谱。
此外通过X射线吸收近边结构(XANES)光谱以及扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)光谱，证明了CuO/CeO2-SMSI和CuO/CeO2-WMSI中铜主要是以氧化态存在。对两种催化剂进行电解测试，发现金属与载体的相互作用对催化性能有很大影响。CuO/CeO2-SMSI催化剂在0.1 M CsI电解液中，电解电位为-1.16V时，乙烯的法拉第效率可达到50.5%，电流密度为18mA cm-2，并且催化剂在5个小时内都具有很好的稳定性。相反，CuO/CeO2-WMSI催化剂对于乙烯的选择性仅为33%。
总之，本文制备的CuO/CeO2-SMSI催化剂能够高选择性的转化CO2为乙烯。这可能是由于金属与载体之间的强相互作用能够提供更多的催化活性位点，促进CO2的吸附，降低电荷传输阻力等。此外，金属与载体之间的相互作用能够稳定铜的价态，有利于提高催化剂的稳定性。我们认为，设计具有强金属-载体相互作用的负载型催化剂是提高CO2RR的有前途的策略。
图2. (a) CuO/CeO2催化剂，CuO和Cu箔的傅立叶变换FT(k3w(k)); (b) CuO/CeO2-SMSI电极上C2H4在-0.96到 -1.46 (V vs. RHE)电位范围内产物C2H4的法拉第效率;(c) CuO/CeO2催化剂在25oC时的CO2吸附等温线;(d)充电电流密度差与扫描速率的平方图。
文章信息
文章以“Enhanced CO2 electroreduction to ethylene via strong metal-support interaction” 为题，在Green Energy Environment期刊发表，通讯作者为何鸣元院士、韩布兴院士和吴海虹教授。
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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.12.001
通讯作者简介
何鸣元，1940年2月生，江苏苏州人。中国科学院院士。现任华东师范大学化学系教授，博士生导师，化学博士后流动站站长，上海市绿色化学与化工过程绿色化重点实验室主任，中国科学院学部主席团成员，国际沸石分子筛协会理事、副主席。华东师范大学第七届学术委员会委员，第一届师资队伍建设委员会主任委员。
韩布兴，物理化学家，中国科学院院士、发展中国家科学院院士，中国科学院化学研究所研究员、博士生导师，华东师范大学特聘教授。主要从事化学热力学与绿色化学的交叉研究，在超临界流体、离子液体等绿色溶剂体系化学热力学、绿色溶剂在化学反应和材料合成中的应用研究，电催化转化CO2等研究方面取得系统性成果。在Science、Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、等期刊发表SCI收录论文600余篇，论文被引用20000余次，获国家专利30件。
吴海虹，华东师范大学教授、博士生导师，教育部新世纪人才（2013年）。主要从事多相催化和离子液体中CO2活化制备高附加值化学品等方面研究。在国内外重要学术刊物发表Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等SCI学术论文50余篇，获授权发明专利18项。
撰稿：原文作者
编辑：GEE编辑部
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