清华大学徐建鸿教授团队：微流控合成银纳米立方体，用于CO2电还原制CO

清华大学徐建鸿教授团队：微流控合成银纳米立方体，用于CO2电还原制CO

银是一种重要的电催化CO2还原（CO2RR）生成CO的重要材料，具有较高的法拉第效率、较低的价格和巨大的储量。金属纳米材料的尺寸和结构控制对催化性能有着重要影响。

近期，清华大学徐建鸿教授团队创新性地搭建了一个微流控合成平台，实现了单分散银纳米立方体（Ag NCs）的可控、精准、连续制备。相关研究以“Microfluidic synthesis platform of silver nanocubes for CO2 electroreduction to CO”为题目发表于期刊《Chemical Engineering Journal》。

研究亮点

1. 本研究创新性地搭建了一个微流控合成平台，以实现单分散银纳米立方体（Ag NCs）的可控、精准、连续制备。
2. 通过在线调节停留时间，揭示了Ag NCs生长过程的三个阶段，并提出了其形成机理。
3. 密度泛函理论（DFT）计算证实了Ag2S团簇的催化作用以及Cl-和PVP的协同包覆作用。
4. 将制备的Ag NCs应用于CO2还原反应，在-0.8V下实现了95.6%的CO法拉第效率，且可稳定运行至少12h。

微流控合成平台的优势

这种微流控合成平台相较于传统批量合成具有以下优势：

1. 高效生产：微流控合成平台能够实现连续生产，缩短反应时间，提高生产效率，有助于大规模生产高质量产品。
2. 精确控制：通过微流控技术，可以精确控制反应参数，如溶液浓度和流速，确保产品质量和稳定性，提高了实验的可重复性。
3. 高质量产品：微流控合成平台提高了质量和热传递效率，可以获得大量高质量产品，减少了不稳定性和质量波动。
4. 尺寸均匀：微流控技术在微观尺度上实现了均匀混合和反应，使得产品尺寸分布更加均匀，提高了产品质量和一致性。
5. 减少废品：微流控合成平台减少了废品的产生，提高了资源利用效率，有助于降低成本并减少环境影响。

纳米立方体尺寸和形貌控制方法

微流控技术可以实现对纳米立方体尺寸和形貌的精准控制，从而优化其在CO2电还原反应中的催化性能和稳定性。具体方法包括：

1. 参数调节：通过微流控技术调节反应参数，如温度、流速和反应物浓度，以精确控制纳米立方体的生长速率和形貌。
2. 在线监测和调整：利用微流控平台实时监测反应过程中的产物形貌和尺寸变化，并根据监测结果实时调整反应条件，实现精准控制。
3. 优化反应条件：通过系统的参数实验，如调整添加剂和反应物浓度比例，优化反应条件以获得所需的纳米立方体形态。
4. 探索生长机制：利用微流控技术研究纳米立方体的生长机制，了解不同阶段的生长过程，指导优化反应条件。
5. 结合理论计算：结合密度泛函理论（DFT）计算等方法，深入理解纳米立方体的形成机制，指导优化反应条件以提高催化性能和稳定性。

Scheme1.用于AgNCs的微流控合成平台和CO2RR工作电极的制备示意图。

图1.用于标准合成的Ag纳米晶的结构表征。A) 低倍和高倍（插图）透射电子显微镜（TEM）图像。B) 单个纳米立方体的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，插图展示了晶格条纹。 C) 图B中显示的单晶立方体的选区电子衍射（SAED）模式。D) 扫描电子显微镜（SEM）图像。E) 紫外-可见光谱图。

图2.AgNCs在标准合成过程中的生长过程。 A) 不同停留时间下的透射电子显微镜（TEM）图像。 B) 不同停留时间下的单个颗粒的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。从上到下分别是30秒、10分钟和20分钟。 C) 对应的快速傅里叶变换（FFT）衍射图案。 D) 对应的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像。 E) 不同停留时间下的平均颗粒尺寸。误差条表示颗粒尺寸分布的标准偏差。 F) 不同停留时间下的紫外-可见光谱。每个阶段更深的蓝色表示更长的停留时间。 G) 不同停留时间下的X射线衍射（XRD）图案。（关于本图例中颜色参考的解释，请参阅本文的网络版本。）

图3.AgNCs的形成机理示意图。

图4.DFT计算结果。

图5.CO2RR性能测试结果。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151411