供稿人：邱正平、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-01-25
电化学CO2还原反应(CO2RR)与析氢反应(HER)相结合是生产合成气(CO + H2)的可再生途径，是生产液体燃料的重要原料。然而，开发具有可调H2/CO比、高速率合成气产量和长期电化学稳定性的高性能电催化剂仍然具有挑战性。在此，利用金属3D打印技术和脱合金技术开发了三维层级多孔(称为3D hp) CuAg催化剂，用于同时生成CO和H2。通过精心设计前驱体组成，得到的三维层级多孔CuAg催化剂具有高密度的相分离Ag和Cu纳米畴，H2/CO比例可在3:1到1:2之间调节。通过进一步的孔隙度工程，3D高压CuAg催化剂显著提高了合成气产气速率(140μmol/h/cm2)，电化学稳定性达到了目前报道的最高水平(140 h)。三维层级多孔CuAg具有显著的电化学稳定性，其大孔结构有利于气泡的生长和分离，微孔结构稳定了活性纳米孔层，而纳米孔结构提供了一个大的活性表面积和有效的传质。
图1 多层级孔CuAg用于CO2还原成可调合成气
考虑用CuAg双金属是因为这两种金属可以分别输出H2和CO，为调节活性和H2/CO比提供了一个完美的平台。Ag是CO生成的活性位点，通过调节Cu/Ag比可以进一步扩大H2/CO比的范围。
图2选择性激光熔化(SLM) 3D打印技术和电化学脱合金技术制备3D hp CuAg工艺示意图
研究人员设计并制备了用于可调且高速合成气生产的3D分级多孔（即hp）CuAg双金属催化剂。通过激光3D打印技术，然后进行电化学脱合金，制备了三维分级多孔CuAg（以下简称3D hp CuAg）催化剂。结果表明，高密度相分离CuAg纳米结构的电子效应有助于合成气组分的可调性，在提高合成气的可转换性和活性方面起着至关重要的作用，层级多孔结构则提供了超高的电化学稳定性，其对于提高产率和稳定性至关重要。本方法也普遍适用于其他纳米多孔金属或化合物，为高性能电催化剂的开发提供了新的途径。