Electrocatalytic CO2 Reduction to Ethylene over CeO2-Supported Cu Nanoparticles: Effect of Exposed Facets of CeO2

Senlin Chu Xin Li Alex W. Robertson Zhenyu Sun

Citation:  Chu Senlin, Li Xin, Robertson Alex W., Sun Zhenyu. Electrocatalytic CO2 Reduction to Ethylene over CeO2-Supported Cu Nanoparticles: Effect of Exposed Facets of CeO2[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(5): 200902. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009023 shu

CeO2担载Cu纳米粒子电催化CO2还原产乙烯:CeO2不同暴露晶面对催化性能的影响

    通讯作者: 孙振宇, sunzy@mail.buct.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21972010

    国家自然科学基金(21972010)与北京自然科学基金(2192039)资助项目

    北京自然科学基金 2192039

摘要: 化石燃料在未来几十年仍然是主要的能量来源,但是这种不可再生资源的燃烧释放出大量的CO2 (主要的温室气体),空气中CO2的浓度每年仍然持续增加。使用间歇性可再生能源转化的电能驱动电化学CO2还原生成高附加值产品为其减排提供了一种有前景、CO2“零排放”的方法。本文通过利用Cu和不同形状的CeO2纳米晶之间的相互作用,即分别暴露(100)、(110)、(111)晶面的立方体、棒状和八面体CeO2,实现了对电化学CO2还原产乙烯的有效调控。研究发现,电化学CO2还原的选择性和活性与CeO2暴露的晶面密切相关,生成乙烯的法拉第效率和偏电流密度在1.00到1.15 V (相对于可逆氢电极)的施加电势范围内呈现出Cu/CeO2(111) < Cu/CeO2(100) < Cu/CeO2(110)的趋势。在H-型电解池中,以0.1 mol·L-1 KHCO3溶液为电解质,Cu/CeO2(110)电催化CO2还原的法拉第效率为56.7%,这与纯碳纸、CeO2(100)、CeO2(110)、CeO2(111)纳米颗粒上只发生析氢副反应形成了鲜明对比,并且Cu/CeO2(110)可在较温和的过电势下(1.13 V)电催化CO2还原产乙烯,其法拉第效率达到39.1%,和文献报道的很多Cu-基材料的性能相当,而Cu/CeO2(100)与Cu/CeO2(111)产乙烯的法拉第效率分别为31.8%和29.6%。此外,经过6 h的持续电解后,乙烯的法拉第效率基本保持稳定。Cu/CeO2(110)还原CO2产乙烯的活性可能与CeO2(110)表面的亚稳态性质有关,其不仅能有效促进CO2的吸附,还能有效稳定Cu+,从而促进了CO2还原为乙烯。本工作为增强电化学CO2还原提供了晶面工程途径。

English

    1. [1]

      de Arquer, F. P. G.; Dinh, C. -T.; Ozden, A.; Wicks, J.; McCallum, C.; Kirmani, A. R.; Nam, D. -H.; Gabardo, C.; Seifitokaldani, A.; Wang, X. Science 2020, 367, 661. doi: 10.1126/science.aay4217

    2. [2]

      高云楠, 刘世桢, 赵振清, 陶亨聪, 孙振宇.物理化学学报, 2018, 34, 858. doi: 10.3866/PKU.WHXB201802061Gao, Y. N.; Liu, S. Z.; Zhao, Z. Q.; Tao, H. C.; Sun, Z. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 858. doi: 10.3866/PKU.WHXB201802061

    3. [3]

      Sun, Z. Y.; Talreja, N.; Tao, H. C.; Texter, J.; Muhler, M.; Strunk, J.; Chen, J. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7610. doi: 10.1002/anie.201710509

    4. [4]

      Sun, Z. Y.; Ma, T.; Tao, H. C.; Fan, Q.; Han, B. X. Chem 2017, 3, 560. doi: 10.1016/j.chempr.2017.09.009

    5. [5]

      Ma, T.; Fan, Q.; Tao, H. C.; Han, Z. S.; Jia, M. W.; Gao, Y. N.; Ma, W. J.; Sun, Z. Y. Nanotechnology 2017, 28, 472001. doi: 10.1088/1361-6528/aa8f6f

    6. [6]

      杨艳, 张云, 胡劲松, 万立骏.物理化学学报, 2020, 36, 1906085. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906085Yang, Y.; Zhang, Y.; Hu, J. S.; Wan, L. J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1906085. doi: 10.3866/PKU.WHXB201906085

    7. [7]

      Yang, P. P.; Zhang, X. L.; Gao, F. Y.; Zheng, Y. R.; Niu, Z. Z.; Yu, X. X.; Liu, R.; Wu, Z. Z.; Qin, S.; Chi, L. P. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 6400. doi: 10.1021/jacs.0c01699

    8. [8]

      刘志敏.物理化学学报, 2019, 35, 1307. doi: 10.3866/PKU.WHXB201908014Liu, Z. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 1307. doi: 10.3866/PKU.WHXB201908014

    9. [9]

      孟怡辰, 况思宇, 刘海, 范群, 马新宾, 张生.物理化学学报, 2021, 37, 2006034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006034Meng, Y. C.; Kuang, S. Y.; Liu, H.; Fan, Q.; Ma, X. B.; Zhang, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2006034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006034

    10. [10]

      宁会, 王文行, 毛勤虎, 郑诗瑞, 杨中学, 赵青山, 吴明铂.物理化学学报, 2018, 34, 938. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801263Ning, H.; Wang, W. H.; Mao, Q. H.; Zheng, S. R.; Yang, Z. X.; Zhao, Q. S.; Wu, M. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 938. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801263

    11. [11]

      Jia, M. W.; Fan, Q.; Liu, S. Z.; Qiu, J. S.; Sun, Z. Y. Curr. Opin. Green Sustainable Chem. 2019, 16, 1. doi: 10.1016/j.cogsc.2018.11.002

    12. [12]

      Kim, D.; Kley, C. S.; Li, Y. F.; Yang, P. D. Proc. Natl Acd. Sci. 2017, 114, 10560. doi: 10.1073/pnas.1711493114

    13. [13]

      Ma, T.; Fan, Q.; Li, X.; Qiu, J. S.; Wu, T. B.; Sun, Z. Y. J. CO2 Util. 2019, 30, 168. doi: 10.1016/j.jcou.2019.02.001

    14. [14]

      Jia, M. W.; Hong, S.; Wu, T. B.; Li, X.; Soo, Y. L.; Sun, Z. Y. Chem. Commun. 2019, 55, 12024. doi: 10.1039/C9CC06178A

    15. [15]

      Tao, H. C.; Sun, X. F.; Back, S.; Han, Z. S.; Zhu, Q. G.; Robertson, A. W.; Ma, T.; Fan, Q.; Han, B. X.; Jung, Y. S.; et al. Chem. Sci. 2018, 9, 483. doi: 10.1039/c7sc03018e

    16. [16]

      Jia, M. W.; Choi, C.; Wu, T. S.; Ma, C.; Kang, P.; Tao, H. C.; Fan, Q.; Hong, S.; Liu, S. Z.; Soo, Y. L.; et al. Chem. Sci. 2018, 9, 8775. doi: 10.1039/C8SC03732A

    17. [17]

      Fan, Q.; Hou, P. F.; Choi, C.; Wu, T. S.; Hong, S.; Li, F.; Soo, Y. L.; Kang, P.; Jung, Y. S.; Sun, Z. Y. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903068. doi: 10.1002/aenm.201903068

    18. [18]

      Li, F.; Gu, G. H.; Choi, C.; Kolla, P.; Sun, Z. Y. Appl. Catal. B Environ. 2020, 277, 119241. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119241

    19. [19]

      Fan, Q.; Zhang, M. L.; Jia, M. W.; Liu, S. Z.; Qiu, J. S.; Sun, Z. Y. Mater. Today Energy 2018, 10, 280. doi: 10.1016/j.mtener.2018.10.003

    20. [20]

      Lee, S. Y.; Jung, H.; Kim, N. K.; Oh, H. S.; Min, B. K.; Hwang, Y. J. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 8681. doi: 10.1021/jacs.8b02173

    21. [21]

      Huang, J.; Mensi, M.; Oveisi, E.; Mantella, V.; Buonsanti, R. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2490. doi: 10.1021/jacs.8b12381

    22. [22]

      Loiudice, A.; Lobaccaro, P.; Kamali, E. A.; Thao, T.; Huang, B. H.; Ager, J. W.; Buonsanti, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 5789. doi: 10.1002/anie.201601582

    23. [23]

      Ren, D.; Deng, Y. L.; Handoko, A. D.; Chen, C. S.; Malkhandi, S.; Yeo, B. S. ACS Catal. 2015, 5, 2814. doi: 10.1021/cs502128q

    24. [24]

      Li, Y. M.; Chu, S. L.; Shen, H. D.; Xia, Q. N.; Robertson, A. W.; Masa, J.; Siddiqui, U.; Sun, Z. Y. ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 4948. doi: 10.1021/acssuschemeng.0c00800

    25. [25]

      Han, Z. S.; Choi, C.; Tao, H. C.; Fan, Q.; Gao, Y. N.; Liu, S. Z.; Robertson, A. W.; Hong, S.; Jung, Y. S.; Sun, Z. Y. Catal. Sci. Technol. 2018, 8, 3894. doi: 10.1039/C8CY01037D

    26. [26]

      Chu, S. L.; Hong, S.; Masa, J.; Li, X.; Sun, Z. Y. Chem. Commun. 2019, 55, 12380. doi: 10.1039/C9CC05435A

    27. [27]

      Kašpar, J.; Fornasiero, P.; Graziani, M. Catal. Today 1999, 50, 285. doi: 10.1016/S0920-5861(98)00510-0

    28. [28]

      Carrettin, S.; Concepción, P.; Corma, A.; Nieto, J. M. L.; Puntes, V. F. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 2538. doi: 10.1002/anie.200353570

    29. [29]

      Campbell, C. T.; Peden, C. H. Science 2005, 309, 713. doi: 10.1126/science.1113955

    30. [30]

      Trovarelli, A. Comments Inorg. Chem. 1999, 20, 263. doi: 10.1080/02603599908021446

    31. [31]

      Trovarelli, A.; Llorca, J. ACS Catal. 2017, 7, 4716. doi: 10.1021/acscatal.7b01246

    32. [32]

      Xu, J. H.; Harmer, J.; Li, G. Q.; Chapman, T.; Collier, P.; Longworth, S.; Tsang, S. C. Chem. Commun. 2010, 46, 1887. doi: 10.1039/b923780a

    33. [33]

      Mai, H. X.; Sun, L. D.; Zhang, Y. W.; Si, R.; Feng, W.; Zhang, H. P.; Liu, H. C.; Yan, C. H. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 24380. doi: 10.1021/jp055584b

    34. [34]

      Ye, L.; Mahadi, A. H.; Saengruengrit, C.; Qu, J.; Xu, F.; Fairclough, S. M.; Young, N.; Ho, P. L.; Shan, J. J.; Nguyen, L. ACS Catal. 2019, 9, 5171. doi: 10.1021/acscatal.9b00421

    35. [35]

      Chu, S. L.; Yan, X. P.; Choi, C.; Hong, S.; Robertson, A. W.; Masa, J.; Han, B. X.; Jung, Y. S.; Sun, Z. Y. Green Chem. 2020, 22, 6540. doi: 10.1039/D0GC02279A

    36. [36]

      Ha, H.; Yoon, S.; An, K.; Kim, H. Y. ACS Catal. 2018, 8, 11491. doi: 10.1021/acscatal.8b03539

    37. [37]

      Li, C. W.; Sun, Y.; Djerdj, I.; VPel, P.; Sack, C. C.; Weller, T.; Sann, J.; Ellinghaus, R.; Guo, Y. L.; Smarsly, B. M. ACS Catal. 2017, 7, 6453. doi: 10.1021/acscatal.7b01618

    38. [38]

      Désaunay, T.; Bonura, G.; Chiodo, V.; Freni, S.; Couzinié, J. -P.; Bourgon, J.; Ringuedé, A.; Labat, F.; Adamo, C.; Cassir, M. J. Catal. 2013, 297, 193. doi: 10.1016/j.jcat.2012.10.011

    39. [39]

      Platzman, I.; Brener, R.; Haick, H.; Tannenbaum, R. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1101. doi: 10.1021/jp076981k

    40. [40]

      Sun, Z. Y.; Wang, X.; Liu, Z. M.; Zhang, H. Y.; Yu, P.; Mao, L. Q. Langmuir 2010, 26, 12383. doi: 10.1021/la101060s

    41. [41]

      Haul, R. Acad. Press 1982, 86, 957. doi: 10.1002/bbpc.19820861019

    42. [42]

      Garvie, L. A. J.; Buseck, P. R. J. Phys. Chem. Solids 1999, 60, 1943. doi: 10.1016/S0022-3697(99)00218-8

    43. [43]

      Jiang, K.; Sandberg, R. B.; Akey, A. J.; Liu, X. Y.; Bell, D. C.; Nørskov, J. K.; Chan, K.; Wang, H. Nat. Catal. 2018, 1, 111. doi: 10.1038/s41929-017-0009-x

    44. [44]

      Huang, J. F.; Mensi, M.; Oveisi, E.; Mantella, V.; Buonsanti, R. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 2490. doi: 10.1021/jacs.8b12381

    45. [45]

      Wu, J.; Ma, S.; Sun, J.; Gold, J. I..; Tiwary, C.; Kim, B.; Zhu, L.; Chopra, N.; Odeh, I. N.; Vajtai, R.; et al. Nat. Commun. 2016, 7, 13869. doi: 10.1038/ncomms13869

    46. [46]

      Kumari, N.; Haider, M. A.; Agarwal, M.; Sinha, N.; Basu, S. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 16626. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b02860

    47. [47]

      Ye, L.; Mahadi, A. H.; Saengruengrit, C.; Qu, J.; Xu, F.; Fairclough, S. M.; Young, N.; Ho, P. -L.; Shan, J.; Nguyen, L. ACS Catal. 2019, 9, 5171. doi: 10.1021/acscatal.9b00421

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  24
  • 文章访问数:  613
  • HTML全文浏览量:  220
文章相关
  • 发布日期:  2021-05-15
  • 收稿日期:  2020-09-07
  • 接受日期:  2020-09-28
  • 修回日期:  2020-09-28
  • 网络出版日期:  2020-10-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章