南昌大学Jun Wang课题组–磷掺杂石墨烯气凝胶作为自支撑电催化剂用于二氧化碳到乙醇的转化

将二氧化碳 (CO2) 电化学还原为乙醇是减缓全球变暖和资源利用的有前景的策略。然而，由于 C─C 耦合和多次质子-电子转移的复杂性，CO2 到乙醇的转化仍然是一个巨大的挑战，具有低活性和选择性。本文报道了一种 P 掺杂的石墨烯气凝胶作为 CO2还原制乙醇的自支撑电催化剂。在 -0.8 VRHE 下实现了 48.7% 的最高法拉第效率 (FE) 和 70 小时的长期稳定性。同时，可以获得 14.62 μmol h-1 cm-2 的出色乙醇产率，优于大多数报道的电催化剂。原位拉曼光谱表明吸附的 *CO 中间体在 CO2 到乙醇的转化中的重要作用。此外，密度泛函理论计算揭示了乙醇形成的可能活性位点和最佳途径。P掺杂的石墨烯锯齿形边缘增强了*CO中间体的吸附，增加了*CO在催化剂表面的覆盖率，促进了*CO的二聚化，促进了EtOH的形成。此外，P掺杂石墨烯气凝胶的分层孔结构暴露了丰富的活性位点并促进了质量/电荷转移。这项工作为设计用于 CO2 电还原液体产品的无金属催化剂提供了创造性的见解。

Figure 1. a）合成过程的示意图。b) SEM 图像，c) TEM 图像（插图 HR-TEM 图像），和 d) PGA-2 的 EDS 映射。e) XRD 图案和 f) 所有样品的 P 2p 的高分辨率 XPS 光谱。

Figure 2. a) 所有样品在 CO2 饱和的 0.5 M KHCO3 溶液中测试的 LSV 曲线。所有产品在 b) PGA-1、c) PGA-2 和 d) PGA-3 上的不同电位的 FE。e) EtOH 产率与不同催化剂的比较。f) PGA-2 的稳定性测试。g) PGA-2 在 H 池和流通池中测试的 LSV 曲线。h) EtOH FE 和流动池中 PGA-2 的产率。

Figure 3. a) PGA-2 上 CO2 饱和的 0.5 M KHCO3 溶液中的电位依赖性和 b) 时间依赖性原位拉曼光谱。

Figure 4. *CO 与基本板之间局部电荷密度差异的俯视图和侧视图 a) P1@ZZG 和 b) P2@ZZG （左图没有等值面，右图有等值面。黄色和蓝绿色代表电子的积累和耗尽。等值 = 0.001；颜色代码：P，紫色；H，白色；O，红色；C，棕色）。c) 在 U = 0 V 时，在 P2@ZZG 上将 CO2 还原为 EtOH 的三种可能反应途径的自由能图。

相关研究工作由南昌大学Jun Wang课题组于2022年在线发表于《Advanced Science》期刊上，原文：Phosphorus-Doped Graphene Aerogel as Self-Supported Electrocatalyst for CO₂-to-Ethanol Conversion。