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大连化物所二氧化碳电催化还原研究获进展

标签:无 2017-05-15 0

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  近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员汪国雄、杨帆和中科院院士包信和研究团队在金属-氧化物界面增强的二氧化碳电催化还原研究方面取得新进展,相关结果发表在日前出版的《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652)上。

  二氧化碳电催化还原,以可再生电能或富余核电等洁净电能为能源,在温和的反应条件下将二氧化碳一步转化为一氧化碳、甲酸、碳氢化合物和醇类等高附加值燃料及化学品,同时实现二氧化碳的高效转化和洁净电能的有效存储。当前,设计高效催化剂来降低过电势和提高反应选择性是二氧化碳电催化还原研究中极具挑战性的热点课题。

  该研究团队在二氧化碳电催化还原前期研究基础上(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288; Nano Energy2016, 27, 35; Chem. Sci. 2017, 8, 2569; Nano Res. 2017, doi: 10.1007/s12274-017-1514-6),基于对金属-氧化物界面催化限域效应的充分理解(Science 2010, 328, 1141; Nat. Sci. Rev. 2015, 2, 183; Nat. Commun. 2017, 8, 14459),设计合成了金属-氧化物界面结构的碳载Au-CeOx催化剂,在保证不同催化剂中Au纳米粒子尺寸和形貌相同的情况下,研究了Au-CeOx界面与二氧化碳电催化还原性能的内在关联。在–0.89 V (vs. RHE)时,Au-CeOx催化剂上生成一氧化碳的法拉第效率达到89.1%,远高于单独的Au(59.0%)或CeOx催化剂(9.8%),生成一氧化碳的电流密度是Au的1.6倍。通过构筑CeOx/Au(111)模型催化剂,利用高分辨扫描隧道显微镜和同步辐射能谱进行原位研究,发现Au-CeOx界面显著促进了二氧化碳在CeOx表界面的吸附与活化,以及水的存在帮助了CeOx表面的还原与表面吸附二氧化碳物种的稳定。密度泛函理论计算进一步表明在后续的加氢过程中,Au-CeOx界面帮助稳定了关键中间物种*COOH,从而促进了一氧化碳的生成和脱附。这种界面增强的二氧化碳电催化还原在Ag-CeOx催化体系上得到了进一步证实,表明了金属-氧化物界面催化体系在二氧化碳电催化还原中的普适性。该研究成果提供了调控二氧化碳电催化还原性能的新途径,丰富和拓展了该研究团队提出的纳米限域催化概念。