針對CO2電催化合成多碳醇的雙位點催化劑

劉志敏

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

N-摻雜石墨烯量子點修飾的銅基催化劑電催化還原CO2制備多碳醇。

CO2資源化利用制備重要化學(xué)品、燃料和材料對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。其中，電催化還原CO2是最有應(yīng)用前景的途徑之一1。多碳醇可以直接作為燃料使用或與汽油混合形成更清潔的燃料，因此近年來電催化還原CO2制備多碳醇(如乙醇和丙醇)引起了人們的廣泛關(guān)注2。

目前，銅基催化劑是已知的能將 CO2電催化轉(zhuǎn)化成多碳產(chǎn)物的最有效催化劑，通過其形貌調(diào)控、雜原子摻雜、小分子修飾等方法可提高多碳醇的選擇性3-5。然而，在可商業(yè)化電流密度下多碳醇的法拉第效率依然較低。氮摻雜碳材料是另一類能將CO2轉(zhuǎn)化成多碳醇的催化劑，主要源于對含氧中間體(如*OCHx、*OH和*O等)的有效吸附6。據(jù)報道，氮摻雜介孔碳材料可將 CO2高選擇性地轉(zhuǎn)化成乙醇，法拉第效率達(dá)到 77%，但是電流密度較低7。因此，設(shè)計高活性、高選擇性的CO2電催化制備多碳醇的催化劑仍然極具吸引力和挑戰(zhàn)性。

最近，中國科學(xué)院化學(xué)研究所韓布興院士課題組將氮-摻雜的石墨烯量子點(NGQ)修飾到氧化銅納米棒上(CuO-nr)，設(shè)計獲得了新型雙位點銅基催化劑NGQ/CuO-nr，實現(xiàn)了高活性和選擇性CO2電催化合成多碳醇，法拉第效率達(dá)到52.4%，電流密度高達(dá)282.1 mA·cm-2。更重要的是，該催化劑具有良好的穩(wěn)定性，100 h長時間使用后，依然能保持原有的催化劑結(jié)構(gòu)和催化性能8。

研究表明，反應(yīng)過程中 NGQ/CuO-nr催化劑的CuO被還原成金屬Cu，而NGQ的存在沒有改變 Cu的價態(tài)和配位環(huán)境。對比實驗表明，NGQ/CuO-nr催化劑具有兩種催化位點，NGQ和Cu協(xié)同催化CO2電還原合成多碳醇。密度泛函研究表明，NGQ和Cu的結(jié)合能夠有效穩(wěn)定*C2H3O這一關(guān)鍵的中間體，進而促進多碳醇生成。

上述工作在近期的 Angewandte Chemie International Edition上發(fā)表8。該工作提出了通過結(jié)合不同催化位點提高產(chǎn)物選擇性的方法，通過雙位點催化劑的設(shè)計，將 CO2高活性和選擇性地轉(zhuǎn)化成多碳醇，為高效電還原CO2催化劑的設(shè)計提供了新思路。