過度的化石燃料消耗導(dǎo)致大氣中二氧化碳含量不斷增加，并可能導(dǎo)致災(zāi)難性的氣候變化，通過減少二氧化碳來實(shí)現(xiàn)碳中和是全球可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)長期目標(biāo)。結(jié)合可再生能源，電催化二氧化碳還原(CO₂RR)為實(shí)現(xiàn)凈二氧化碳消除和增值燃料的制備提供了一個(gè)有前景的解決方案。在各種CO₂RR產(chǎn)物中，合成氣(CO和H₂的混合物)是合成化工的理想原料。

目前合成氣主要采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，包括煤氣化、天然氣蒸汽重整等，工藝能耗大，反應(yīng)條件條件惡劣。相比之下，在不受地域限制的溫和條件下，僅以CO₂為碳源，以H₂O為氫源的CO₂RR，可以為工業(yè)應(yīng)用提供靈活的平臺(tái)。雖然CO₂RR取得了令人鼓舞的進(jìn)展，但仍存在若干挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)高效的、能實(shí)現(xiàn)合成氣可控合成的電催化劑至關(guān)重要。

基于此，大阪大學(xué)Yasutaka Kuwahara等人制備了含Ag納米粒子(NPs)的氨基聚合物功能化空心碳球(Ag-P@HCS)作為生產(chǎn)合成氣的活性催化劑，該催化劑也不負(fù)眾望的展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。

本文在CO₂飽和的0.5 M KHCO₃溶液中，使用標(biāo)準(zhǔn)地的三電極體系(氣密H型電解池)測試了合成催化劑的CO₂RR性能。根據(jù)氣相色譜的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，H₂是P@HCS的主要電解產(chǎn)物，其幾乎不產(chǎn)生CO。與P@HCS不同，含有Ag納米顆粒的催化劑(即Ag-HCS和Ag-P@HCS)能夠產(chǎn)生一定的CO。由此可以推斷，Ag NPs可以作為CO生成的活性位點(diǎn)，這與Ag NPs具有相對(duì)較弱的CO結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。

值得注意的是，與Ag-HCS相比，Ag-P@HCS在所有電位下均可觀察到較高的拉第效率(FE_CO)，Ag-P@HCS在-0.8 V_RHE時(shí)達(dá)到最高的FE_CO (70.1%)，是Ag-HCS(15.3%)的4.6倍。更加重要的是，與其他催化劑不同的是，Ag-P@HCS(1.09~2.54)在較寬的電勢范圍內(nèi)的CO/H₂比值可以控制在最優(yōu)的合成氣比值范圍內(nèi)，這說明其非常適用于工業(yè)生產(chǎn)。

此外，由于不同的氨基聚合物含量，Ag-HCS(0.27)、Ag-0.5P@HCS(0.66)、Ag-P@HCS(2.54)、Ag-2P@HCS(0.98)和Ag-4P@HCS(0.58)在-0.8 V的電位下可以獲得可控的CO/H₂摩爾比。如前所述，與Ag-HCS相比，Ag-P@HCS對(duì)CO的制備顯示出更高的選擇性，這是由于氨基聚合物功能化后Ag分散的增加和CO₂親和力增強(qiáng)所導(dǎo)致的催化劑的催化性能的改變。

綜上所述，本文制備了氨基聚合物功能化的空心碳球，并將其與銀納米顆粒結(jié)合，以通過電化學(xué)CO₂RR合成CO/H₂比例可控的合成氣。氨基聚合物的引入顯著提高了Ag-HCS的FE_CO，這是由于提高了其對(duì)CO₂的吸附能力，降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻以及中間產(chǎn)物(CO₂^–)十分穩(wěn)定。

之后，本文通過優(yōu)化該催化體系中的氨基聚合物含量，可以得到適合工業(yè)生產(chǎn)合成氣的生成比，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了氨基聚合物在該催化劑體系中的作用，并可能為綠色和可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化的高性能電催化劑的設(shè)計(jì)提供啟發(fā)。

與流動(dòng)電解池相比，本研究中使用的H型電解池更適合于高性能電催化劑的設(shè)計(jì)和篩選研究，因?yàn)镠型電解池更易于操作和快速測試。總之，本文的工作證明了氨基聚合物功能化用于設(shè)計(jì)高性能CO₂RR電催化劑的潛力。

Aminopolymer-Functionalized Hollow Carbon Spheres Incorporating Ag Nanoparticles for Electrochemical Syngas Production from CO₂, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122713.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122713.