图1. (A)在CO饱和的0.1 M不同碱金属氢氧化物中的光谱数据;Cu气体扩散电极进行CO电催化转化至不同产物的(B)电流密度和(C)法拉第效率;(D)原位表面增强红外光谱电化学池示意图。
在这项工作中,研究者首先测试了含有不同碱金属阳离子的电解液中一氧化碳电催化还原(CORR)的性能,数据表明碱金属阳离子的性质对多晶Cu催化剂表面的CORR的活性和产物分布有重大影响。在不考虑阳离子的水化层的情况下,CORR和析氢反应的速率均随阳离子尺寸的增加而增大。CORR产物的法拉第效率也随着阳离子尺寸由Li+变化到K+而增加,但在较大的阳离子中基本保持不变。结合原位红外光谱研究,研究者发现不同的阳离子导致CO在Cu上的吸附位点分布不同,随着阳离子尺寸由Li+增加到K+,吸附在step site上的CO相对于吸附在terrace site上的CO的比例逐渐增大,然后在更大的阳离子上趋于稳定,这一趋势与在不同阳离子氢氧化物电解液中所测到的CO吸附的斯塔克调谐率(Stark tuning rate)的变化规律相似。由此看出,界面电场强度是导致CORR由Li+变化到K+反应活性升高的主要原因,而随着K+进一步变化到Cs+,斯塔克调谐率和CORR反应速率均趋于平稳,表明阳离子效应中存在着非电场成分。该工作结合了电化学活性测试和原位红外光谱研究,研究者进一步强调了阳离子效应是电化学界面组成和结构对电极介导反应的总体影响的一个重要组成部分,并揭示了阳离子效应同时存在电场和非电场组分。
该研究以“理解一氧化碳电催化还原反应中阳离子效应的电场和非电场组分”(Understanding the Electric and Non-Electric Field Components of the Cation Effect on the Electrochemical CO Reduction Reaction)为题,于2020年11月6日发表在《科学进展》(Science Advance)期刊上。论文的共同通讯作者为清华大学化工系陆奇副教授和美国特拉华大学化学工程与生物分子工程系徐冰君副教授。该项工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd2569
供稿:化工系
编辑:李华山
审核:吕婷
文章来源:清华大学
陆奇,清华大学副教授(特别研究员)。2000年进入浙江大学本科,2005年赴美国University of Delaware攻读博士学位,并在之后分别于University of Delaware和Columbia University进行博士后工作。2016年1月正式加入清华大学化工系教师队伍。现为清华大学化工系助理教授,主要从事新能源化工、多相催化和纳米结构材料的研究工作。获得Fondazione Oronzio and Niccolò De Nora Fellowship in Applied Electrochemistry(2014)、Daicar-Bata Prizes for Best Research Paper, University of Delaware(2011)等多项学术奖项。在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、 Advanced Energy Materials等高影响期刊上发表多篇学术论文,学术成果曾被知名科学新闻媒体Science Daily、Chemistry Views、Materials View等进行专题报导。