中國科大研制納米尺度“富集效應(yīng)”增強(qiáng)CO2電還原性能的高效催化劑
隨著經(jīng)濟(jì)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(shí)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(jìn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)人為閉合碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，為當(dāng)前可再生能源的利用和化學(xué)燃料合成提供了一種具有應(yīng)用前景的方法。當(dāng)前，通過更高效催化劑的理性設(shè)計(jì)與可控合成，并結(jié)合催化機(jī)制理解，從而實(shí)現(xiàn)CO2電還原技術(shù)走向工業(yè)化應(yīng)用成為研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組和俞書宏院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了系列具有“富集”效應(yīng)的納米催化劑，結(jié)合流動(dòng)電解池的合理設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了CO2到目標(biāo)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(yīng)用化學(xué)》和《美國化學(xué)會(huì)志》雜志上。
研究人員提出納米針尖的“近鄰效應(yīng)”促進(jìn)CO2電還原過程，通過智能微波反應(yīng)器的高通量篩選，制備了硫化鎘納米針陣列結(jié)構(gòu)。流動(dòng)電解池測(cè)試表明這種結(jié)構(gòu)可實(shí)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(yīng)用化學(xué)》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(jìn)。
研究人員使用簡(jiǎn)單的微波熱合成，通過反應(yīng)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(dǎo)體材料尖端曲率半徑減小會(huì)引起尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，從而增強(qiáng)鉀離子在電極附近的富集。有趣的是，對(duì)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(huì)不斷增強(qiáng)（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(shí)巴德電荷分析也表明鉀離子存在時(shí)COOH*周圍的電子密度會(huì)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(shí)現(xiàn)CO2向CO的高效率轉(zhuǎn)化。流動(dòng)電解池測(cè)試表明，這種多納米針尖硫化鎘催化劑由于“近鄰富集效應(yīng)”，最終實(shí)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(chǎng)及鉀離子分布模擬；（b-f）納米針尖硫化鎘催化劑在流動(dòng)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(yīng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)離子的富集外，高敏銳課題組和俞書宏院士團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出利用納米空腔的“限域效應(yīng)”來富集反應(yīng)中間體，實(shí)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(xué)會(huì)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(shí)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(zé)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(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com