Adequaat gestabiliseerde en blootgestelde Cu/CuₓO heterojunctie op poreuze koolstofnanovezels

Goedkope en gemakkelijk verkrijgbare op koper gebaseerde katalysatoren worden als ideaal beschouwd voor de elektrochemische CO₂ reductiereactie (CO₂RR) om multi-koolstofproducten te produceren. De aanwezigheid van koperoxiden is cruciaal voor het genereren van producten met een hoge toegevoegde waarde in CO2₂RR.

De onvermijdelijke waterstofevolutiereactie en de gemakkelijke zelfreductiereactie van koperoxide onder de negatieve potentiëlen verminderen echter de katalytische activiteit en selectiviteit van CO₂RR. Momenteel wordt een stabiele fase ontworpen met zowel weerstand tegen elektrochemische zelfreductie als hoge CO₂RR-activiteit is een uitdaging.

Onlangs probeerde een onderzoeksteam onder leiding van prof. Chuanxin He van de Universiteit van Shenzhen, China, het opsluitingseffect en het dragereffect van poreuze koolstofnanovezelsubstraten op metalen nanodeeltjes volledig te benutten, waardoor de blootstelling van actieve plaatsen Cu/Cu aanzienlijk werd vergroot._XO heterojuncties op het grensvlak van de katalytische reactie.

De katalysator zou de structurele stabiliteit van koperoxiden kunnen behouden onder een stroomdichtheid van 400 mA cm^‒2 en een uitstekende CO bereiken₂RR-prestaties voor ethanol met een Faradaic-efficiëntie van wel 70,7% en een massaactiviteit van 8,4 A mg^‒1.

In dit onderzoek werden eerst sterk verspreide koperen nanodeeltjes in koolstofnanovezels bereid via elektrospinning, daarna de O₂-plasmabehandeling werd geïntroduceerd om tegelijkertijd Cu/Cu te creëren_XO heterostructuur en openende mesoporiën door die koolstofnanovezels.

In het bijzonder kunnen de openende mesoporiën door koolstofnanovezels het Cu/Cu volledig blootleggen_XO-locaties op het driefasige grensvlak vergeleken met onbehandelde koolstofnanovezels, wat leidt tot hoge en stabiele katalytische activiteit met een lage hoeveelheid metaalbelading.

Gecombineerd met de fysieke karakteriseringen en in-situ spectrale karakteriseringen zoals infrarood- en Raman-spectroscopie-analyse, ontstaat een dynamisch gestabiliseerde toestand van Cu_XO en de sleutelsignalen van *CO en C – C-binding worden waargenomen tijdens de CO₂RR-proces. Bovendien laten DFT-berekeningen zien dat de aanwezigheid van Cu_XO bevordert de overloop van *CO tussen Cu/Cu_XO-interface, die de C-C-koppelingsenergiebarrière kan verlagen om C te vormen₂H₅OH tijdens de CO₂RR-proces.

Het koolstofsubstraat kan het elektronentransport verbeteren en fungeren als een elektronendonor om de reductie van Cu te neutraliseren_XO onder een negatief potentiaal, wat de stabiliteit van Cu/Cu ten goede komt_XO heterostructuur en behoudt 213 uur stabiliteit bij hoge stroomdichtheden. De resultaten zijn gepubliceerd in Chinees tijdschrift voor katalyse.