王博/谢静/殷安翔/冯霄JACS：COF离聚体促进Cu上的CO2电还原

研究内容

二氧化碳(CO 2 )电还原在应对全球能源和可持续性挑战方面前景广阔。铜(Cu)显示出将CO 2 有效转化为特定增值和/或高能量密度产品的巨大潜力。然而，它的局限性在于相对较低的产物选择性。

北京理工大学王博、谢静、殷安翔和冯霄 通过用二维(2D)磺化共价有机骨架纳米片(COF-NS)基离聚物调节Cu表面附近的微环境，合理地控制Cu上的CO 2 还原反应(CO 2 RR)途径。结果显示，在酸性(pH=2)和碱性(pH=14)电解质中，流动池中的总电流密度高达500 mA cm -2 时，对甲烷(CH 4 )的选择性可以提高到60%以上。相关工作以“ Covalent Organic Framework Ionomer Steering the CO 2 Electroreduction Pathway on Cu at Industrial-Grade Current Density ”为题发表在国际著名期刊 Journal of the American Chemical Society 上。

研究要点

要点1. 作者提出磺化2D COF纳米片(NUS9)可以调节商业Cu纳米颗粒(Cu NPs)的催化微环境，在工业级电流密度下引导CO 2 还原途径。

要点2. NUS9为生产CH 4 创造了合理的微环境，在酸性(pH=2)和碱性(pH=14)电解质中，流动池中的总电流密度高达500 mA cm -2 时，对甲烷(CH 4 )的选择性可以提高到60%以上。

要点3. COF-NS固有的多孔骨架和高密度的离子基团，可以促进CO 2 和K + 在催化剂表面附近的局部积累，减少*CO的吸附能和表面覆盖率，促进H 2 O的离解，并降低了CH 4 生产的速率决定步骤(RDS)的屏障(*CO+*H→*CHO)，最终调节CO 2 RR的反应途径。我们的方法证明了利用多孔开放框架离聚物合理调节CO2RR的反应界面，展示了其潜在的实际应用。

研究图文

图1.（a）NUS9的化学结构。（b）NUS9纳米片的遮蔽堆叠模型的实验和模拟PXRD。（c）NUS9纳米片的TEM。（d）NUS9纳米片的AFM，插图：相应的高度轮廓。

图2. Cu-Nafion和Cu-NUS9在不同电流密度下的（a）C 1 和（b）C 2+ 产物的FE。（c）在酸性条件下，与先前电催化CO 2 到CH 4 反应研究的FEs和部分电流密度。

图3.（a）Cu-Nafion和Cu-NUS9的电化学性能。（b，c）Cu-Nafion和Cu-NUS9的SEIRAS反褶积结果。（d）Cu(111)-截断NUS9表面的计算模型。（e，f）Cu(111)和Cu(111)-NUS9上H 2 O离解和*CO质子化为*CHO反应自由能谱。

图4.（a）CO 2 RR后Cu-Nafion和Cu-NUS9电极中钾的XPS深度分布。（b，c）Cu-Nafion和Cu-NUS9的具有K + 离子浓度梯度的恒电位电解测试。

图5. 在各种电流密度下，Cu 2 O-Nafion和Cu 2 O-NUS9上（a）C 1 (CO和CH 4 )和（b）C 2 (C2H4)产物的FE。

文献详情

Covalent Organic Framework Ionomer Steering the CO 2 Electroreduction Pathway on Cu at Industrial-Grade Current Density

Zhejiaji Zhu, Yuhao Zhu, Zhixin Ren, Di Liu, Feiyu Yue, Dafei Sheng, Pengpeng Shao, Xiuying Huang, Xiao Feng,* An-Xiang Yin,* Jing Xie,* Bo Wang*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c11709