中國科大研制納米尺度“富集效應”增強CO2電還原性能的高效催化劑
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和化石燃料的大量使用，大氣中的二氧化碳（CO2）濃度逐年升高。CO2轉(zhuǎn)化技術(shù)不僅能夠降低大氣中的CO2濃度，同時還可以得到諸多高附加值的碳基燃料。在目前現(xiàn)有的各種CO2轉(zhuǎn)化技術(shù)中，電催化CO2還原技術(shù)具有可在常溫常壓下進行，能夠?qū)崿F(xiàn)人為閉合碳循環(huán)等優(yōu)點，為當前可再生能源的利用和化學燃料合成提供了一種具有應用前景的方法。當前，通過更高效催化劑的理性設計與可控合成，并結(jié)合催化機制理解，從而實現(xiàn)CO2電還原技術(shù)走向工業(yè)化應用成為研究重點與難點。
近日，中國科學技術(shù)大學高敏銳教授課題組和俞書宏院士團隊設計了系列具有“富集”效應的納米催化劑，結(jié)合流動電解池的合理設計，成功實現(xiàn)了CO2到目標產(chǎn)物的高選擇性轉(zhuǎn)化。相關(guān)工作在線發(fā)表在近期《德國應用化學》和《美國化學會志》雜志上。
研究人員提出納米針尖的“近鄰效應”促進CO2電還原過程，通過智能微波反應器的高通量篩選，制備了硫化鎘納米針陣列結(jié)構(gòu)。流動電解池測試表明這種結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)95.5%的一氧化碳法拉第效率和212 mA cm-2的部分電流密度。該成果以“High-Curvature Transition-Metal Chalcogenide Nanostructures with a Pronounced Proximity Effect Enable Fast and Selective CO2 Electroreduction”為題在線發(fā)表在《德國應用化學》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, DOI: 10.1002/ange.201912348），并被選為“卷首插畫”論文。論文的共同第一作者是中國科大博士生高飛躍和胡少進。
研究人員使用簡單的微波熱合成，通過反應參數(shù)調(diào)節(jié)，成功制備了三種具有不同尖端曲率半徑的硫化鎘納米結(jié)構(gòu)。有限元模擬表明這種半導體材料尖端曲率半徑減小會引起尖端附近的電場強度增大，從而增強鉀離子在電極附近的富集。有趣的是，對于多針尖結(jié)構(gòu)的硫化鎘，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著針尖之間距離的逐漸減小，鉀離子富集會不斷增強（圖1）。密度泛函理論 (DFT)表明鉀離子的存在能夠明顯縮短C-Cd鍵的長度（從2.37 Å 到 2.25 Å），同時巴德電荷分析也表明鉀離子存在時COOH*周圍的電子密度會增大, 從而穩(wěn)定COOH*中間體，使得CO2還原的能壘得到顯著降低，實現(xiàn)CO2向CO的高效率轉(zhuǎn)化。流動電解池測試表明，這種多納米針尖硫化鎘催化劑由于“近鄰富集效應”，最終實現(xiàn)了95.5%的CO法拉第效率和212 mA cm-2的CO電流密度，其性能大大優(yōu)于其它過渡金屬硫?qū)倩镫姶呋瘎?/span>
圖1.（a）硫化鎘尖端電場及鉀離子分布模擬；（b-f）納米針尖硫化鎘催化劑在流動電解池中的CO2電還原性能
除了利用納米多針尖的“近鄰效應”實現(xiàn)對目標離子的富集外，高敏銳課題組和俞書宏院士團隊進一步提出利用納米空腔的“限域效應”來富集反應中間體，實現(xiàn)CO2到多碳燃料的高效率轉(zhuǎn)化。該研究成果以“Protecting Copper Oxidation State via Intermediate Confinement for Selective CO2 Electroreduction to C2+ Fuels”為題在線發(fā)表在《美國化學會志》上（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142(13), 6400-6408）。論文的共同第一作者是中國科大碩士生楊朋朋和博士生張曉隆、高飛躍。
研究人員首先合成了多孔、實心和破碎形貌的三種氧化亞銅納米結(jié)構(gòu)。有限元模擬分析結(jié)果表明多孔氧化亞銅生成C2+ 產(chǎn)物與 版權(quán)與免責聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負責。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com