基于木质碳的金属空位促进电化学氢化反应：实现选择性二氧化碳甲烷化及其他应用

《ChemSusChem》：Wood Carbon-Enabled Metal Vacancies Drive Electrochemical Hydrogenation: Selective CO2 Methanation and Beyond

多级碳化木负载ZnO纳米片催化剂通过缺陷工程实现CO?深度电氢化为CH?， Faradaic效率达72.9%，碳化木微通道促进传质并降低反应能垒，支持工程有效调控反应路径，并成功应用于草酸电催化升级为甘醇酸。

　　

摘要

电化学氢化（ECH）需要对多步骤反应过程进行精确控制，但开发具有选择性的电催化剂仍然具有挑战性。在此研究中，我们利用分级碳化木材（CW）作为可持续的催化载体来推动深度电化学氢化反应。通过简单的煅烧-浸渍方法将ZnO纳米片固定在CW的微通道中，我们制备了富含Zn和O空位的ZnO/CW催化剂，这种催化剂能够促进CO₂高效地转化为CH₄。将ZnO/CW催化剂与1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（[Bmim]PF₆）/乙腈电解质结合使用后，该系统在?1.34?V（相对于SCE）的电压下实现了72.9%的CH₄法拉第效率（FE）。这一性能明显优于传统的ZnO/碳纸（ZnO/CP）催化剂，后者仅在CO生成阶段达到62.3%的FE，这表明了载体工程对反应路径的显著影响。实验和理论分析均表明，CW的多孔结构有助于物质传输，而Zn空位降低了CH₄生成过程中的能量障碍。该平台的应用范围还扩展到了草酸的转化上，在相同的电解质条件下，SnO₂/CW催化剂实现了草酸向乙二醇的选择性电化学氢化。这项工作为基于生物质的富含缺陷的界面材料在多步骤电催化氢化中的应用提供了新的设计范例。

图形摘要

我们提出了一种载体工程策略，通过简单的煅烧辅助浸渍方法将ZnO纳米片固定在分级碳化木材（CW）的微通道中。这种方法制备出的ZnO/CW催化剂富含Zn和O空位，有效促进了CO₂向CH₄的电化学氢化反应。该催化剂在?1.34?V（相对于SCE）的电压下表现出72.9%的CH₄法拉第效率和32.7 mA cm^?2的电流密度。载体工程与缺陷工程的协同作用显著提升了CO₂的电化学氢化效率。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在本文的补充材料中找到。