界面限域效應(yīng)增強(qiáng)二氧化碳電催化還原

莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072)

界面限域效應(yīng)增強(qiáng)二氧化碳電催化還原

莊 林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072)

二氧化碳電催化還原，以可再生電能或富余核電等潔凈電能為能源，可以在溫和的反應(yīng)條件下將二氧化碳一步轉(zhuǎn)化為一氧化碳、甲酸、碳?xì)浠衔锖痛碱惖雀吒郊又祷ぴ霞盎瘜W(xué)品，將二氧化碳“變廢為寶”的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了潔凈電能的有效存儲(chǔ)1。當(dāng)前，設(shè)計(jì)高效電催化劑來(lái)降低過(guò)電勢(shì)和提高反應(yīng)選擇性是二氧化碳電催化還原研究中極具挑戰(zhàn)性的熱點(diǎn)課題。

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊帆研究員、汪國(guó)雄研究員和包信和院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)致力于二氧化碳的高效電催化轉(zhuǎn)化2?5以及金屬-氧化物界面限域催化效應(yīng)研究6?8，已取得了一系列進(jìn)展。近日，該團(tuán)隊(duì)在金屬-氧化物界面增強(qiáng)的二氧化碳電催化還原上取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society雜志上9。

楊帆、汪國(guó)雄和包信和研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)金屬-氧化物界面催化限域效應(yīng)的充分理解，以該團(tuán)隊(duì)提出的“納米限域催化”概念為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)合成了金屬-氧化物界面結(jié)構(gòu)的碳載Au-CeOx催化劑，在保證不同催化劑中 Au納米粒子尺寸和形貌相同的情況下，研究了 Au-CeOx界面與二氧化碳電催化還原性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在–0.89 V (vs RHE)時(shí)，Au-CeOx催化劑上生成一氧化碳的法拉第效率達(dá)到89.1%，遠(yuǎn)高于單獨(dú)的 Au(59.0%)或 CeOx催化劑(9.8%)，生成一氧化碳的電流密度是 Au的1.6倍。通過(guò)構(gòu)筑 CeOx/Au(111)模型催化劑，利用高分辨掃描隧道顯微鏡和同步輻射能譜進(jìn)行原位研究，發(fā)現(xiàn) Au-CeOx界面顯著促進(jìn)了 CO2在 CeOx表界面的吸附與活化，以及水的存在幫助了CeOx表面的還原與表面吸附 CO2物種的穩(wěn)定。密度泛函理論計(jì)算進(jìn)一步表明在后續(xù)的加氫過(guò)程中，Au-CeOx界面幫助穩(wěn)定了關(guān)鍵中間物種*COOH，從而促進(jìn)了 CO的生成和脫附。這種界面增強(qiáng)的二氧化碳電催化還原在 Ag-CeOx催化體系上得到了進(jìn)一步證實(shí)，表明了金屬-氧化物界面限域催化體系在二氧化碳電催化還原中的普適性。

該研究成果首次將界面限域催化應(yīng)用于二氧化碳高效電催化還原，提供了調(diào)控二氧化碳電催化還原性能的新途徑，豐富和拓展了該團(tuán)隊(duì)提出的納米限域催化概念。

(1) Wu, J.; Sun, S.; Zhou, X. Nano Energy 2016, 27, 225.doi: 10.1016/j.nanoen.2016.06.028

(2) Gao, D.; Zhou, H.; Wang, J.; Miao, S.; Yang, F.; Wang, G.; Wang, J. ;Bao, X. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288.doi: 10.1021/jacs.5b00046

(3) Gao, D.; Zhou, H.; Cai, F.; Wang, D.; Hu, Y.; Jiang, B.; Cai, W.; Chen,X.; Si, R.; Yang, F.; Miao, S.; Wang. J.; Wang, G.; Bao, X. Nano Res.2017, doi: 10.1007/s12274-017-1514-6

(4) Cai, F.; Gao, D.; Zhou, H.; Wang, G.; He, T.; Gong, H.; Miao, S.;Yang, F.; Wang, J.; Bao, X. Chem. Sci. 2017, 8, 2569.doi: 10.1039/c6sc04966d

(5) Yin, Z.; Gao, D.; Yao, S.; Zhao, B.; Cai, F.; Lin, L.; Tang, B.; Zhai, P.;Wang, G.; Ma, D.; Bao, X. Nano Energy 2016, 27, 35.doi: 10.1016/j.nanoen.2016.06.035

(6) Fu, Q.; Li, W.; Yao, Y.; Liu, H.; Su, H.; Ma, D.; Gu, X.; Chen, L.;Wang, Z.; Zhang, H.; Wang, B.; Bao, X. Science 2010, 328, 1141.doi: 0.1126/science.1188267

(7) Yang, F., Deng, D., Pan, X., Fu, Q. & Bao, X. Nat. Sci. Rev. 2015, 2,183-201, doi:10.1093/nsr/nwv024

(8) Liu, Y.; Yang, F.; Zhang, Y.; Xiao, J.; Yu, L.; Liu, Q.; Ning, Y.; Zhou,Z.; Chen, H.; Huang, W.; Liu, P.; Bao, X. Nat. Commun. 2017, 8,14459. doi: 10.1038/ncomms14459

(9) Gao, D.; Zhang, Y.; Zhou, Z.; Cai, F.; Zhao, X.; Huang, W.; Li,Y.; Zhu, J.; Liu, P.; Yang, F.; Wang, G.; Bao, X. J. Am. Chem.Soc. 2017, doi: 10.1021/jacs.7b00102

Enhancing CO2Electroreduction with Interfacial Confinement

ZHUANG Lin
(College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China)

10.3866/PKU.WHXB201704261 www.whxb.pku.edu.cn