高浓度电催化“碳中和”气相产物制备石墨烯

CO₂还原能够将CO₂转换为燃料、化工原料等化学品，是实现“碳中和”的一种极有前途的方式。但是目前CO₂还原的产物主要以小分子为主，相比之下单层的石墨烯薄膜显然是更有价值的产物。直接将CO₂还原为石墨烯薄膜由于CO₂的氧化性以及它对石墨烯的刻蚀作用而难以实现。那么是否可以通过电化学的方式对CO₂脱氧，再进一步转换为单层石墨烯薄膜呢？

复旦大学的孙正宗（点击查看介绍）团队近日报道了一种基于孪晶银催化剂的电化学-CVD串联体系，它将电化学二氧化碳还原和CVD串联，实现了CO₂向高质量单层石墨烯薄膜的转换。电催化CO₂还原产物的工业化应用目前主要受限于产物的富集和分离。传统的H型反应池中，气相产物和CO₂原料混合在一起，导致了气相产物浓度极低，不能满足工业化需求。气体扩散电极提高了产物的生成速率，因而大部分的气体扩散电极能将产物的浓度提升至30-40%，但是气体扩散电极结构复杂、膜电极调控困难且昂贵、同时面临着电解液消耗等问题。直接的碳酸盐还原缺乏持续的CO₂供应，因此虽然能够得到高浓度的产物，但是法拉第效率也普遍较低。

复旦大学的孙正宗团队通过脉冲电沉积的方式合成出了纳米孪晶银催化剂。这种催化剂消除了传统纳米孪晶银的尺寸效应和封端剂的影响，孪晶界密度可在0.3-1.5×10⁵ cm^-1之间可控调节，十分适合作为理性的催化剂模型进行研究。这种孪晶银催化剂能将CO₂高效稳定地转换为CO，实现了92%的CO法拉第效率和127 s^-1的TOF值。该团队基于排水法的原理进一步设计了方便收集CO₂还原气相产物的电解槽，实现了在不使用质子膜的条件下制取浓度最高达52%的CO，且电解质经长时间反应几乎不发生消耗。通过将电化学系统与CVD系统串联，CO产物被直接转换为高质量的单层石墨烯薄膜。该系统结构简单，它为电催化CO₂还原的气相产物面向工业化应用提供了新的思路，有望成为电化学“碳中和”的重要高附加技术。

图1. 孪晶银的表征

图2. 孪晶银催化剂的CO₂还原性能

图3. 电化学-CVD串联体系用于单层石墨烯薄膜生长

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是复旦大学博士研究生唐灿。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Direct electrosynthesis of 52% concentrated CO on silver’s twin boundary

Can Tang, Peng Gong, Taishi Xiao & Zhengzong Sun

Nat. Commun., 2021, 12, 2139, DOI: 10.1038/s41467-021-22428-1

孙正宗博士简介

孙正宗，复旦大学微电子教授。2011年于莱斯大学取得博士学位，2012年至2013年在美国伯克利物理系和劳伦兹伯克利国家实验室从事博士后研究，2013年7月起就职于复旦大学。

研究领域主要面向低维纳米材料上电子和化学的相互作用，具体包括石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼等二维材料的精准化学合成和电子能带调控，二维电子器件和二维电化学器件等。以第一作者或通讯作者在Nature, J. Am. Chem. Soc., Nature Communications, ACS Catalysis，Chem. Mater.等期刊上发表论文。共发表SCI论文70余篇，有25篇文章单篇引用超过100次，7篇入选高被引论文，第一作者论文单篇引用最高1000余次，总他引次数超过18000次，h-index=39，授权专利3项。研究成果被美国纽约时报、英国BBC等新闻媒体和Nature Nanotechnology等期刊报道。近年获得的奖项包括：国家优秀自费留学生奖（2011），Harry B. Weiser 研究奖（2011），The Norman Hackerman Fellowship in Chemistry（2011-2012），Richard Turner 纪念奖（2012），国家海外高层次人才计划（2013）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/9713