Onlangs onthulde de onderzoeksgroep van Lu Qi bij de afdeling Chemical Engineering van Tsinghua University de invloed van kationeffect op de elektrokatalytische reductie van koolmonoxide door het testen van de reactieactiviteit en oppervlakte-versterkte in-situ infraroodspectroscopie. De studie stelde voor dat er een elektrisch veld- en niet-elektrische veldcomponenten zijn in het kationeffect, die niet alleen worden beïnvloed door de kenmerken van het kation, maar ook gerelateerd zijn aan de samenstelling van de elektrochemische interface. Deze studie biedt ook een belangrijk idee om de invloed van elektrochemische interface-samenstelling en structuur op elektrode-gemedieerde reacties verder te begrijpen.
In de afgelopen decennia heeft klimaatverandering veroorzaakt door menselijk gedrag een reeks ecologische en milieuproblemen veroorzaakt, maar het heeft ook de ontwikkeling van nieuwe energietechnologieën versneld. Vooral in de afgelopen jaren hebben de fotovoltaïsche en windenergie -industrie van mijn land zich snel ontwikkeld en zijn de prijzen van zonne- en windenergie -generatie concurrerend geworden in de markt. Het gebruik van hernieuwbare energie om elektrokatalytische omzetting van koolstof te bereiken, biedt een praktische oplossing om de impact van antropogene klimaatverandering te verminderen. De elektrochemische CO2- en CO -reductiereacties treden op op het grensvlak tussen de metaalelektrode en de waterige oplossing. Daarom worden de katalytische prestaties beïnvloed door zowel het elektrode -oppervlak als de elektrolyt. Kationen in de elektrolyt spelen een zeer belangrijke rol op de reactieinterface. Bij het reductiepotentieel worden kationen aangetrokken tot de elektrochemische interface. Hoewel verschillende mogelijke manieren waarop kationen op oppervlakte-gemedieerde elektrokatalytische reacties zijn voorgesteld, is er nog steeds geen consensus in de academische gemeenschap vanwege het gebrek aan direct experimenteel bewijs.
Figuur 1. (a) spectrale gegevens in co-verzadigde 0. 1 m verschillende alkali hydroxiden; (B) stroomdichtheid en (c) de efficiëntie van de faradaische van CO -elektrocatalytische conversie naar verschillende producten op een Cu -gasdiffusie -elektrode; (D) Schematisch diagram van een in situ oppervlakte-versterkte infraroodspectiespecteur.
In dit werk testten de onderzoekers eerst de prestaties van koolmonoxide -elektrokatalytische reductie (COR) in elektrolyten die verschillende alkalische kationen bevatten. De gegevens toonden aan dat de eigenschappen van de alkalische kationen een significant effect hebben op de activiteit en productverdeling van CORR op het oppervlak van polykristallijne Cu -katalysatoren. Zonder de hydratatielaag van het kation te overwegen, nemen de snelheden van zowel Corr- als waterstofevolutiereacties toe met de toename van de kationgrootte. De faradaische efficiëntie van Corr -producten neemt ook toe met de verandering van kationgrootte van Li+ in K+, maar blijft in wezen ongewijzigd voor grotere kationen. In combinatie met in situ infraroodspectroscopie ontdekten de onderzoekers dat verschillende kationen leiden tot verschillende verdelingen van CO -adsorptielocaties op CU. Naarmate de kationgrootte toeneemt van Li+ tot K+, neemt de verhouding van CO geadsorbeerd op de stapslocatie tot CO geadsorbeerd op de terrasplaats geleidelijk toe en stabiliseert vervolgens op grotere kationen. Deze trend is vergelijkbaar met de variatie van de grimmige afstemmingssnelheid van CO -adsorptie gemeten in verschillende kationhydroxide -elektrolyten. Het is te zien dat de interfaciale elektrische veldsterkte de belangrijkste reden is voor de toename van Corr -reactieactiviteit van Li+ tot K+, en naarmate K+ verder verandert in CS+, de Stark -afstemmingssnelheid en Corr -reactiesnelheid beide neigen te stabiliseren, wat aangeeft dat daar daar is zijn niet-elektrische veldcomponenten in het kationeffect. Dit werk combineert elektrochemische activiteitstesten en in situ infraroodspectroscopie. De onderzoekers benadrukten verder dat het kationeffect een belangrijk onderdeel is van de algehele invloed van elektrochemische interface-samenstelling en structuur op elektrode-gemedieerde reacties, en onthulden dat het kationeffect zowel elektrisch veld als niet-elektrische veldcomponenten heeft.
De studie, getiteld "Inzicht in de elektrische en niet-elektrische veldcomponenten van het kationeffect op de elektrochemische CO-reductiereactie", werd gepubliceerd in het tijdschrift Science Advance op 6 november 2020. De co-correspondende auteurs van het artikel zijn universitair hoofddocent Lu Qi van de afdeling Chemical Engineering aan de Tsinghua University en universitair hoofddocent Xu Bingjun van de afdeling Chemical Engineering and Biomolecular Engineering aan de Universiteit van Delaware. Dit werk werd gefinancierd door de National Natural Science Foundation van China en andere projecten.