二氧化碳是造成全球變暖的主要原因之一，而電催化還原二氧化碳為碳捕獲提供了一種新的技術手段。利用CO2還原與析氫反應（HER）反應耦合，可以產生具有高經濟效益的合成氣(H2+CO)，從而為多種工業化學反應提供前驅體。然后，現有催化劑在調控合成氣比例（H2/CO）、產率以及電化學穩定性方面仍有待進一步改善。例如，大多數研發的合成氣電催化劑的穩定性低于24h，限制了其實際應用。
最近，華中科技大學新金屬材料研究中心柳林教授團隊張誠等人通過激光3D打印技術與電化學脫合金技術復合，成功制備了具有分級多孔結構的CuAg雙金屬，并系統研究了其電催化還原CO2生成合成氣性能與機制。通過合理設計3D打印前驅體的合金成分，成功制備出3D分級多孔與納米尺度相分離的CuAg雙金屬，實現了高的法拉第效率（>92%）以及寬的合成氣可調比例（H2/CO從3：1到1:2）。進一步通過構筑分級孔結構，該3D分級多孔CuAg蜂窩催化劑的合成氣產率進一步提高，達到140 μmol/cm2/h，超長的電化學穩定性140h（為目前合成氣文獻最高值）。此外，還發現3D分級多孔CuAg的催化性能顯著優于3D分級多孔Cu以及2D分級多孔CuAg。
圖1 3D打印/脫合金復合技術制備納米多孔CuAg雙金屬及其結構表征
圖2 3D打印/脫合金復合技術制備納米多孔CuAg雙金屬及其電催化還原CO2性能
研究發現：Ag的引入改變了Cu的能帶結構，從而改善了反應動力學（Tafel斜率降低50%）并降低了電子轉移電阻。而3D分級多孔CuAg的高穩定性與其跨尺度多孔結構有關，其中毫米孔促進了氣泡的生長與解吸附，微米孔通過釋放脫合金化中的應力使納米多孔層與基體結合更穩定，納米孔則極大地增加了催化劑的活性面積。本工作為開發高性能分級多孔電催化劑提供了新思路。
圖3 3D打印/脫合金復合技術制備蜂窩狀分級多孔CuAg及其電催化還原CO2性能
圖4 催化機制及穩定性分析
相關工作近期發表在ACS Applied Materials & Interface (2021)上。該研究得到了國家自然科學面上基金（51771077）和湖北省杰青項目（2020CFA086）資助。該工作第一作者是2018級碩士鄢文遠同學，通訊作者是張誠副教授。
來源：華中科技大學
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c10564
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