煅烧温度调控Cu-Zn双金属MOFs衍生催化剂对CO2电还原制乙烯性能的影响机制研究

针对CO2电还原制C2H4选择性与电流密度低的难题，研究人员通过溶剂热法合成Cu-Zn双金属MOFs衍生催化剂，系统探究煅烧温度（400-600°C）对催化性能的影响。结果表明，CuZn-500在-0.8 V vs. RHE下实现58%总法拉第效率（FE）和27%乙烯选择性，电流密度达47.9 mA·cm-2，并展现15小时稳定性。该研究为CO2RR催化剂设计提供新思路。

　　

随着全球碳排放问题日益严峻，如何将CO₂转化为高附加值化学品成为研究热点。电化学CO₂还原反应（CO₂RR）因其温和反应条件和产物多样性备受关注，其中乙烯（C₂H₄）作为重要化工原料更具经济价值。然而，现有铜基催化剂存在C₂产物选择性低、电流密度不足等瓶颈。金属有机框架（MOFs）衍生物因其可调孔隙结构和丰富活性位点成为理想候选，但煅烧温度对催化性能的调控机制尚不明确。

为解决这一难题，来自中国的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过溶剂热法制备Cu-Zn双金属MOFs前驱体，经不同温度（400/500/600°C）煅烧获得系列催化剂，系统考察其对CO₂RR性能的影响。研究发现，500°C煅烧的CuZn-500催化剂在-0.8 V vs. RHE下展现出58%总法拉第效率（FE），其中乙烯选择性达27%，同时实现47.9 mA·cm^-2的高电流密度和15小时稳定性，性能显著优于其他温度处理的样品。

关键技术方法
研究采用溶剂热法合成CuZn-MOF前驱体，通过程序升温煅烧获得衍生催化剂；利用扫描电镜（SEM）观察形貌演变，X射线衍射（XRD）分析晶体结构；采用H型电解池在0.5 M KHCO₃电解液中测试CO₂RR性能，通过气相色谱定量产物分布。

研究结果

1. 催化剂制备：通过Zn(NO₃)₂·6H₂O与Cu(NO₃)₂·3H₂O的甲醇溶液与H₃BTC配体反应，获得具有绣球花状多孔结构的CuZn-MOF前驱体。

2. 表征分析：SEM显示400°C煅烧导致原始结构坍塌为纳米颗粒，500°C时形成均匀分散的金属氧化物复合体；XRD证实CuZn-500中Cu⁰/Cu⁺共存态比例优化，有利于*CO中间体耦合。

3. 电化学性能：活性顺序为CuZn-500 > CuZn-600 > CuZn-400 > Cu-500 >> CuZn-MOF。CuZn-500的C₂H₄选择性较未煅烧样品提升近10倍，且过电位降低0.2 V。

4. 机理探讨：Zn位点优先捕获CO₂并还原为CO，随后迁移至相邻Cu位点，提高局部CO浓度以促进二聚形成C-C键，最终生成C₂H₄。

结论与意义
该研究阐明煅烧温度通过调控Cu-Zn双金属MOFs衍生催化剂的表面组成与结构，显著影响CO₂RR活性和选择性。500°C处理的催化剂因优化了Cu/Zn协同效应与*CO迁移路径，实现C₂H₄高效合成。这不仅为CO₂RR催化剂设计提供温度调控新策略，更为碳中和目标下CO₂资源化利用奠定科学基础。Dong Liu等作者的工作凸显了双金属MOFs衍生物在能源催化领域的巨大潜力。