Engineering of Bifunctional Nickel Phosphide@Ni-N-C Catalysts for Selective Electroreduction of CO2-H2O to Syngas

Chengyu Ye Xiaofei Yu Wencui Li Lei He Guangping Hao Anhui Lu

Citation:  Chengyu Ye, Xiaofei Yu, Wencui Li, Lei He, Guangping Hao, Anhui Lu. Engineering of Bifunctional Nickel Phosphide@Ni-N-C Catalysts for Selective Electroreduction of CO2-H2O to Syngas[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(4): 200405. doi: 10.3866/PKU.WHXB202004054 shu

磷化镍@镍-氮-碳双功能催化剂电还原CO2-H2O制合成气

    通讯作者: 郝广平, guangpinghao@dlut.edu.cn
    陆安慧, anhuilu@dlut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21975037

    长江学者奖励计划 T2015036

    中央高校基本科研业务费专项资金 DUT18RC(3)075

    辽宁振兴人才计划 XLYC1807205

摘要: 电催化还原CO2由于具有温和的反应条件、反应产物组成可调、环境友好等优点,是CO2转化技术中最有前景的方法之一,然而目前发展的电催化CO2还原技术仍未达到工业化盈利所需的技术经济指标。因此,通过简单的两电子转移,将CO2-H2O电还原为合成气通常被认为是电化学还原CO2过程中较有前景的实现盈利的途径之一,因此研究能够精确调控合成气比例的非贵金属电催化剂至关重要。在本文中,我们提出了通过三元纳米复合材料的分子工程学设计的进行了高活性、可实现特定比例合成气制备的双功能电催化剂的合成策略。将三聚氰胺、三苯基膦(TPP)和乙酸镍研磨并溶解在乙醇中,通过旋蒸得到三元纳米复合材料,在850 ℃下热解2 h得到催化剂。该方法简单、易操作并且易于放大。该系列双功能电催化剂的比表面积和孔体积均随着三苯基膦量的增加而增加,且分级孔结构有利于提供活性位以及促进物质传输。此外,拉曼图谱表明材料的缺陷度由于前驱体中三苯基膦的增加而增加。另外,X射线光电子能谱验证了析氢反应活性位点Ni-P和CO2电催化活性为位点Ni-N的存在。因此,该系列电催化剂的性能具有较大的调控空间,可从CO产物主导调控至H2产物主导。电化学性能通过在CO2饱和0.5 mol·L-1 KHCO3溶液中进行线性扫描伏安法以及恒电位电解进行评价。结果表明催化剂的活性受材料表面P/Ni-Nx比例的影响。最高的CO法拉第效率为91%,由不含磷化镍的纯Ni-N-C材料在-0.8 V (相对于可逆氢电极(RHE))电位下实现。在-0.7至-1.1 V (vs RHE)电位区间内,合成气流中CO/H2的摩尔比可从2 : 5调整至10 : 1,并能与磷化镍和镍-氮-炭组分的摩尔比关联。此外,我们还对优化的催化剂在-0.7 V电位下的稳定性进行了测试,合成气摩尔比例在8 h内保持在1.2-1.3,说明材料具有良好的稳定性。本工作将温室气体CO2和H2O转化成比例可调的合成气,为双功能电催化剂的工程设计提供了新的方向。

English

    1. [1]

      Lindsey, R. Climate Change: Atmospheric Carbon Dioxide. https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide.

    2. [2]

      Hao, G. P.; Li, W. C.; Qian, D.; Lu, A. H. Adv. Mater. 2010, 22, 853. doi: 10.1002/adma.200903765

    3. [3]

      Hao, G. P.; Jin, Z. Y.; Sun, Q.; Zhang, X. Q.; Zhang, J. T.; Lu, A. H. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3740. doi: 10.1039/C3EE41906A

    4. [4]

      Jin, Z. Y.; Xu, Y. Y.; Sun, Q.; Lu, A. H. Small 2015, 11, 5151. doi: 10.1002/smll.201501692

    5. [5]

      Hao, G. P.; Li, W. C.; Qian, D.; Wang, G. H.; Zhang, W. P.; Zhang, T.; Wang, A. Q.; Schuth, F.; Bongard, H. J.; Lu, A. H. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11378. doi: 10.1021/ja203857g

    6. [6]

      Singh, G.; Lakhi, K. S.; Ramadass, K.; Sathish, C. I.; Vinu, A. ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 7412. doi: 10.1021/acssuschemeng.9b00921

    7. [7]

      Jouny, M.; Luc, W.; Jiao, F. Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 57, 2165. doi: 10.1021/acs.iecr.7b03514

    8. [8]

      Diaz, L. A.; Gao, N.; Adhikari, B.; Lister, T. E.; Dufek, E. J.; Wilson, A. D. Green Chem. 2018, 20, 620. doi: 10.1039/C7GC03069J

    9. [9]

      Hernández, S.; Farkhondehfal, M. A.; Sastre, F.; Makkee, M.; Saracco, G.; Russo, N. Green Chem. 2017, 19, 2326. doi: 10.1039/C7GC00398F

    10. [10]

      Song, X.; Zhang, H.; Yang, Y.; Zhang, B.; Zuo, M.; Cao, X.; Sun, J.; Lin, C.; Li, X.; Jiang, Z. Adv. Sci. 2018, 5, 1800177. doi: 10.1002/advs.201800177

    11. [11]

      Ross, M. B.; Li, Y.; Luna, P. D.; Kim, D.; Sargent, E. H.; Yang, P. Joule 2019, 3, 257. doi: 10.1016/j.joule.2018.09.013

    12. [12]

      Yang, D.; Zhu, Q.; Sun, X.; Chen, C.; Guo, W.; Yang, G.; Han, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 6, 2354. doi: 10.1002/anie.201914831

    13. [13]

      He, R.; Zhang, A.; Ding, Y.; Kong, T.; Xiao, Q.; Li, H.; Liu, Y.; Zeng, J. Adv. Mater. 2018, 30, 1705872. doi: 10.1002/adma.201705872

    14. [14]

      Ross, M. B.; Dinh, C. T.; Li, Y.; Kim, D.; Luna, P. D.; Sargent, E. H.; Yang, P. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9359. doi: 10.1021/jacs.7b04892

    15. [15]

      Daiyan, R.; Chen, R.; Kumar, P. V.; Bedford, N. M.; Qu, J.; Cairney, J. M.; Lu, X.; Amal, R. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 9307. doi: 10.1021/acsami.9b21216

    16. [16]

      Lee, J. H.; Kattel, S.; Jiang, Z.; Xie, Z.; Yao, S.; Tackett, B. M.; Xu, W.; Marinkovic, N. S.; Chen, J. G. Nat. Commun. 2019, 10, 3724. doi: 10.1038/s41467-019-11352-0

    17. [17]

      Hjorth, I.; Nord, M.; Rønning, M.; Yang, J.; Chen, D. Catal. Today 2019, doi: 10.1016/j.cattod.2019.02.045

    18. [18]

      Chen, H.; Li, Z.; Zhang, Z.; Jie, K.; Li, J.; Li, H.; Mao, S.; Wang, D.; Lu, X.; Fu, J. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58, 15425. doi: 10.1021/acs.iecr.9b02192

    19. [19]

      Mota, M. F.; Nguyen, D. L. T.; Lee, J. E.; Piao, H.; Choy, J. H.; Hwang, Y. J.; Kim, D. H. ACS Catal. 2018, 8, 4364. doi: 10.1021/acscatal.8b00647

    20. [20]

      Farkhondehfal, M. A.; Hernández, S.; Rattalino, M.; Makkee, M.; Lamberti, A.; Chiodoni, A.; Bejtka, K.; Sacco, A.; Pirri, F. C.; Russo, N. Int. J. Hydrogen Energy 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.04.180

    21. [21]

      Li, H.; Xiao, N.; Wang, Y.; Li, C.; Ye, X.; Guo, Z.; Pan, X.; Liu, C.; Bai J.; Xiao, J. et al. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 18852. doi: 10.1039/C9TA05904K

    22. [22]

      Vasileff, A.; Zheng, Y.; Qiao, S. Z. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700759. doi: 10.1002/aenm.201700759

    23. [23]

      Zhang, W.; Zeng, J.; Liu, H.; Shi, Z.; Tang, Y.; Gao, Q. J. Catal. 2019, 372, 277. doi: 10.1016/j.jcat.2019.03.014

    24. [24]

      宁汇, 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.; Mao, Q.; Zheng, S.; Yang, Z.; Zhao, Q.; Wu, M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 938. doi: 10.3866/PKU.WHXB201801263

    25. [25]

      Chen, Z.; Mou, K.; Yao, S.; Liu, L. ChemSusChem 2018, 11, 2944. doi: 10.1002/cssc.201800925

    26. [26]

      Ning, M.; Li, J.; Kuang, B.; Wang, C.; Su, D.; Zhao, Y.; Jin, H.; Cao, M. Appl. Surf. Sci. 2018, 447, 244. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.03.242

    27. [27]

      Yang, F.; Song, P.; Liu, X.; Mei, B.; Xing, W.; Jiang, Z.; Gu, L.; Xu, W. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12303. doi: 10.1002/anie.201805871

    28. [28]

      Hu, X. M.; Hval, H. H.; Bjerglund, E. T.; Dalgaard, K. J.; Madsen, M. R.; Pohl, M. M.; Welter, E.; Lamagni, P.; Buhl, K. B.; Bremholm, M.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 6255. doi: 10.1021/acscatal.8b01022

    29. [29]

      Varela, A. S.; Ju, W.; Bagger, A.; Franco, P.; Rossmeisl, J.; Strasser, P. ACS Catal. 2019, 9, 7270. doi: 10.1021/acscatal.9b01405

    30. [30]

      Wang, X.; Pan, Y.; Ning, H.; Wang, H.; Guo, D.; Wang, W.; Yang, Z.; Zhao, Q.; Zhang B.; Zheng, L.; et al. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 266, 118630. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118630

    31. [31]

      Möller, T.; Ju, W.; Bagger, A.; Wang, X.; Luo, F.; Thanh, T. N.; Varela, A. S.; Rossmeisl, J.; Strasser, P. Energy Environ. Sci. 2019, 12, 640. doi: 10.1039/c8ee02662a

    32. [32]

      Xie, A.; Zhang, J.; Tao, X.; Zhang, J.; Wei, B.; Peng, W.; Tao, Y.; Luo, S. Electrochim. Acta 2019, 324, 134814. doi: 10.1016/j.electacta.2019.134814

    33. [33]

      Li, X.; Bi W.; Chen, M.; Sun, Y.; Ju, H.; Yan, W.; Zhu, J.; Wu, X.; Chu, W.; Wu, C.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14889. doi: 10.1021/jacs.7b09074

    34. [34]

      Yuan, C. Z.; Liang, K.; Xia, X. M.; Yang, Z. K.; Jiang, Y. F.; Zhao, T.; Lin, C.; Cheang, T. Y.; Zhong, S. L.; Xu, A. W. Catal. Sci. Technol. 2019, 9, 3669. doi: 10.1039/c9cy00363k

    35. [35]

      Wang, X.; Zhao, Q.; Yang, B.; Li, Z.; Bo, Z.; Lam, K. H.; Adli, N. M.; Lei, L.; Wen, Z.; Wu, G.; et al. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 25191. doi: 10.1039/c9ta09681g

    36. [36]

      Koshy, D. M.; Chen, S.; Lee, D. U.; Stevens, M. B.; Abdellah, A. M.; Dull, S. M.; Chen, G.; Nordlund, D.; Gallo, A.; Hahn, C.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4043. doi: 10.1002/anie.201912857

    37. [37]

      Yang, H.; Lin, Q.; Zhang, C.; Yu, X.; Cheng, Z.; Li, G.; Hu, Q.; Ren, X.; Zhang, Q.; Liu, J.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 593. doi: 10.1038/s41467-020-14402-0

    38. [38]

      Daems, N.; Mot, B. D.; Choukroun, D.; Daele, K. V.; Li, C.; Hubin, A.; Bals, S.; Hereijgers, J.; Breugelmans, T. Sustain. Energy Fuels 2020, 4, 1296. doi: 10.1039/c9se00814d

    39. [39]

      Daiyan, R.; Lu, X.; Tan, X.; Zhu, X.; Chen, R.; Smith, S. C.; Amal, R. ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 8002. doi: 10.1021/acsaem.9b01470

    40. [40]

      Ju, W.; Bagger, A.; Hao, G. P.; Varela, A. S.; Sinev, I.; Bon, V.; Roldan Cuenya, B.; Kaskel, S.; Rossmeisl, J.; Strasser, P. Nat. Commun. 2017, 8, 944. doi: 10.1038/s41467-017-01035-z

    41. [41]

      Zhao, S.; Cheng, Y.; Veder, J. P.; Johannessen, B.; Saunders, M.; Zhang, L.; Liu, C.; Chisholm, M. F.; Marco, R. D.; Liu, J.; et al. ACS Appl. Energy Mater. 2018, 1, 5286. doi: 10.1021/acsaem.8b00903

    42. [42]

      林舟, 申琳璠, 瞿希铭, 张俊明, 姜艳霞, 孙世刚. 物理化学学报, 2019, 35, 523. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806191Lin, Z.; Shen, L.; Qu, X.; Zhang, J.; Jiang, Y.; Sun, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 523. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806191

    43. [43]

      Diao, J.; Qiu, Y.; Liu, S.; Wang, W.; Chen, K.; Li, H.; Yuan, W.; Qu, Y.; Guo, X. Adv. Mater. 2019, 32, 1905679. doi: 10.1002/adma.201905679

    44. [44]

      Song, Y. J.; Yuan, Z. Y. Electrochim. Acta 2017, 246, 536. doi: 10.1016/j.electacta.2017.06.086

    45. [45]

      Gong, Y.; Lin, J.; Wang, X.; Shi, G.; Lei, S.; Lin, Z.; Zou, X.; Ye, G.; Vajtai, R.; Yakobson, B. I.; et al. Nat. Mater. 2014, 13, 1135. doi: 10.1038/NMAT4091

    46. [46]

      Attanayake, N. H.; Abeyweera, S. C.; Thenuwara, A. C.; Anasori, B.; Gogotsi, Y.; Sun, Y.; Strongin, D. R. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 16882. doi: 10.1039/c8ta05033c

    47. [47]

      Faber, M. S.; Dziedzic, R.; Lukowski, M. A.; Kaiser, N. S.; Ding, Q.; Jin, S. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 28, 10053. doi: 10.1021/ja504099w

    48. [48]

      杨金龙. 物理化学学报, 2018, 34, 453. doi: 10.3866/PKU.WHXB201710272Yang, J. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34, 453. doi: 10.3866/PKU.WHXB201710272

    49. [49]

      Zhou, Z.; Mahmood, N.; Zhang, Y.; Pan, L.; Wang, L.; Zang, X.; Zou, J. J. J. Energy Chem. 2017, 26, 1223. doi: 10.1016/j.jechem.2017.07.021

    50. [50]

      常进法, 肖瑶, 罗兆艳, 葛君杰, 刘长鹏, 邢巍. 物理化学学报, 2016, 32, 1556. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604291Chang, J. F.; Xiao, Y.; Luo, Z. Y.; Ge, J. J.; Liu, C. P.; Xing, W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 1556. doi: 10.3866/PKU.WHXB201604291

    51. [51]

      Zeng, L.; Sun, K.; Wang, X.; Liu, Y.; Pan, Y.; Liu, Z.; Cao, D.; Song, Y.; Liu, S.; Liu, C. Nano Energy 2018, 51, 26. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.06.048

    52. [52]

      Yu, L.; Zhang, J.; Dang, Y.; He, J.; Tobin, Z.; Kerns, P.; Dou, Y.; Jiang, Y.; He, Y.; Suib, S. L. ACS Catal. 2019, 9, 6919. doi: 10.1021/acscatal.9b00494

    53. [53]

      Wang, Y.; Liu, L.; Zhang, X.; Yan, F.; Zhu, C.; Chen, Y. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 22412. doi: 10.1039/c9ta07859b

    54. [54]

      Shi, Y.; Zhang, B. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 1529. doi: 10.1039/c5cs00434a

    55. [55]

      Yu, X. F.; Tian, D. X.; Li, W. C.; He, B.; Zhang, Y.; Chen, Z. Y.; Lu, A. H. Nano Res. 2019, 12, 1193. doi: 10.1007/s12274-019-2381-0

    56. [56]

      Wang, Z.; Ogata, H.; Morimoto, S.; Ortiz-Medina, J.; Fujishige, M.; Takeuchi, K.; Muramatsu, H.; Hayashi, T.; Terrones, M.; Hashimoto, Y.; et al. Carbon 2015, 94, 479. doi: 10.1016/j.carbon.2015.07.037

    57. [57]

      Atchudan, R.; Joo, J.; Pandurangan, A. Mater. Res. Bull. 2013, 48, 2205. doi: 10.1016/j.materresbull.2013.02.048

    58. [58]

      Zhao, C.; Wang, Y.; Li, Z.; Chen, W.; Xu, Q.; He, D.; Xi, D.; Zhang, Q.; Yuan, T.; Qu, Y.; et al. Joule 2019, 3 (2), 584. doi: 10.1016/j.joule.2018.11.008

    59. [59]

      Wang, F.; Liu, Y. M.; Zhang, C. Y. New J. Chem. 2019, 43, 4160. doi: 10.1039/c9nj00059c

    60. [60]

      Zhang, Y.; Liu, Y.; Ma, M.; Ren, X.; Liu, Z.; Du, G.; Asiri, A. M.; Sun, X. Chem. Commun. 2017, 53, 11048. doi: 10.1039/c7cc06278h

    61. [61]

      Zhang, W.; Zheng, J.; Gu, X.; Tang, B.; Li, J.; Wang, X. Nanoscale 2019, 11, 9353. doi: 10.1039/c8nr08039a

    62. [62]

      Wan, H.; Li, L.; Chen, Y.; Gong, J.; Duan, M.; Liu, C.; Zhang, J.; Wang, H. Electrochim. Acta 2017, 229, 380. doi: 10.1016/j.electacta.2017.01.169

    63. [63]

      Yuan, C. Z.; Li, H. B.; Jiang, Y. F.; Liang, K.; Zhao, S. J.; Fang, X. X.; Ma, L. B.; Zhao, T.; Lin, C.; Xu, A. W. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 6894. doi: 10.1039/c8ta11500a

    64. [64]

      Edwards, J. P.; Xu, Y.; Gabardo, C. M.; Dinh, C. T.; Li, J.; Qi, Z.; Ozden, A.; Sargent, E. H.; Sinton, D. Appl. Energy 2020, 261, 114305. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114305

    65. [65]

      Chen, C.; Khosrowabadi, J. F. K.; Sheehan, S. W. Chem 2018, 4, 2571. doi: 10.1016/j.chempr.2018.08.019

    66. [66]

      He, Q.; Liu, D.; Lee, J. H.; Liu, Y.; Xie, Z.; Hwang, S.; Kattel, S.; Song, L.; Chen, J. G. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 3033. doi: 10.1002/anie.201912719

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  8
  • 文章访问数:  404
  • HTML全文浏览量:  47
文章相关
  • 发布日期:  2022-04-15
  • 收稿日期:  2020-04-17
  • 接受日期:  2020-06-05
  • 修回日期:  2020-06-03
  • 网络出版日期:  2020-06-11
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