供稿人：邱正平、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-01-25
電化學(xué)CO2還原反應(yīng)(CO2RR)與析氫反應(yīng)(HER)相結(jié)合是生產(chǎn)合成氣(CO + H2)的可再生途徑，是生產(chǎn)液體燃料的重要原料。然而，開發(fā)具有可調(diào)H2/CO比、高速率合成氣產(chǎn)量和長(zhǎng)期電化學(xué)穩(wěn)定性的高性能電催化劑仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，利用金屬3D打印技術(shù)和脫合金技術(shù)開發(fā)了三維層級(jí)多孔(稱為3D hp) CuAg催化劑，用于同時(shí)生成CO和H2。通過精心設(shè)計(jì)前驅(qū)體組成，得到的三維層級(jí)多孔CuAg催化劑具有高密度的相分離Ag和Cu納米疇，H2/CO比例可在3:1到1:2之間調(diào)節(jié)。通過進(jìn)一步的孔隙度工程，3D高壓CuAg催化劑顯著提高了合成氣產(chǎn)氣速率(140μmol/h/cm2)，電化學(xué)穩(wěn)定性達(dá)到了目前報(bào)道的最高水平(140 h)。三維層級(jí)多孔CuAg具有顯著的電化學(xué)穩(wěn)定性，其大孔結(jié)構(gòu)有利于氣泡的生長(zhǎng)和分離，微孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定了活性納米孔層，而納米孔結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)大的活性表面積和有效的傳質(zhì)。
圖1 多層級(jí)孔CuAg用于CO2還原成可調(diào)合成氣
考慮用CuAg雙金屬是因?yàn)檫@兩種金屬可以分別輸出H2和CO，為調(diào)節(jié)活性和H2/CO比提供了一個(gè)完美的平臺(tái)。Ag是CO生成的活性位點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)Cu/Ag比可以進(jìn)一步擴(kuò)大H2/CO比的范圍。
圖2選擇性激光熔化(SLM) 3D打印技術(shù)和電化學(xué)脫合金技術(shù)制備3D hp CuAg工藝示意圖
研究人員設(shè)計(jì)并制備了用于可調(diào)且高速合成氣生產(chǎn)的3D分級(jí)多孔（即hp）CuAg雙金屬催化劑。通過激光3D打印技術(shù)，然后進(jìn)行電化學(xué)脫合金，制備了三維分級(jí)多孔CuAg（以下簡(jiǎn)稱3D hp CuAg）催化劑。結(jié)果表明，高密度相分離CuAg納米結(jié)構(gòu)的電子效應(yīng)有助于合成氣組分的可調(diào)性，在提高合成氣的可轉(zhuǎn)換性和活性方面起著至關(guān)重要的作用，層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)則提供了超高的電化學(xué)穩(wěn)定性，其對(duì)于提高產(chǎn)率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。本方法也普遍適用于其他納米多孔金屬或化合物，為高性能電催化劑的開發(fā)提供了新的途徑。