中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所電催化還原CO2制乙烯研究獲進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的研究團(tuán)隊通過串聯(lián)催化策略，在局部附近多個不同的催化位點來提高CO2電還原反應(yīng)(CO2RR)對乙烯的選擇性。該研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志。

CO2RR反應(yīng)對于合成乙烯等化學(xué)品具有重要意義，但受限于單一活性中心的多電子轉(zhuǎn)移過程和緩慢的C-C耦合過程。

該研究團(tuán)隊將Cu納米顆粒均勻分散在錨定原子孤立的Ni-N位點的卟啉三嗪骨架[PTF(Ni)]上，構(gòu)建了串聯(lián)催化劑PTF(Ni)/Cu，用于催化CO2RR反應(yīng)生成乙烯。其中PTF(Ni)可以有效地將CO2還原成高濃度的CO，并隨后遷移到附近的Cu位，為下一次C-C偶聯(lián)和進(jìn)一步生產(chǎn)乙烯提供高覆蓋率。

為進(jìn)行對比，該研究團(tuán)隊通過TPPCN三聚反應(yīng)得到分散在PTF上的Cu納米顆粒PTF/Cu催化劑。與主要生成CH4的PTF/Cu催化劑相比，PTF(Ni)/Cu催化劑在-1.1 V電壓下催化CO2RR反應(yīng)生成乙烯的選擇性高達(dá)57.3%，而PTF/Cu催化劑上的乙烯選擇性僅為9.6%。

采用密度泛函理論(DFT)計算的結(jié)果表明，由于PTF(Ni)產(chǎn)生高濃度CO，其可為附近Cu位點提供富CO的局部環(huán)境，提高了C-C偶聯(lián)概率，進(jìn)而提高乙烯選擇性。此外，PTF(Ni)/Cu催化劑表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，連續(xù)電解11 h后仍能保持初始活性。

采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)可觀察到PTF(Ni)/Cu串聯(lián)催化劑上的關(guān)鍵中間體*CO和*COCO-，而在PTF/Cu催化劑上則沒有觀察到，證實PTF(Ni)生成的高濃度CO增加了*CO在Cu納米顆粒上的中間覆蓋度，使得產(chǎn)物從甲烷轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁?/p>

該研究可為CO2RR反應(yīng)高選擇性生產(chǎn)乙烯等化學(xué)品的催化劑設(shè)計提供借鑒。