CO2还原,既关乎环境,又关乎能源,是目前材料、化学领域科学家关注的重点议题。今天,我们要分享的是来自国际顶级研究团队关于CO2还原最新的2篇Nature Catalysis工作。
一篇来自斯坦福大学崔屹团队,主要是关于理论指导Sn/Cu合金催化剂的设计制备,并在低过电位条件下实现了CO2高选择性还原制甲酸盐。另一篇来自加州大学伯克利分校JoelW. Ager团队,他们发现了氧化物衍生的Cu基CO2电催化还原中的产物对应三种特异性的活性位点!
一、斯坦福大学崔屹团队:理论指导Sn/Cu合金高效CO2还原!
拟探索的问题:
在低过电位条件下,CO2还原制甲酸盐选择性较差,难以满足实际应用!
研究亮点:
1. DFT理论指导催化剂设计
理论研究发现,在Sn中掺Cu形成Sn/Cu合金可以有效抑制HER和CO形成,从而提高CO2还原制甲酸盐的活性和选择性。
2. 实现了在低过电位下高选择性还原CO2制甲酸盐!
制备了一种CuSn3合金催化剂,并实现了在低过电位条件下高效CO2还原制甲酸盐,法拉第效率95%(-0.5 V vs RHE)
3. 揭示了合金协同作用机理
原位X射线吸收精细结构谱表明,电子从Sn传递到Cu,从而使Sn在工作条件下保持正价氧化态。
图1. 理论计算
图2. 制备过程
图3. 电催化活性
参考文献:
Xueli Zheng, Yi Cui et al. Theory-guidedSn/Cu alloying for efficient CO2 electroreduction at lowoverpotentials. Nature Catalysis 2018.
https://www.nature.com/articles/s41929-018-0200-8
二、加州大学伯克利分校Joel W. Ager团队:发现Cu基CO2电催化还原中的产物特异性活性位!
拟探索的问题:
Cu催化剂电催化CO2还原会产生多种产物,这些不同产物是否具有各自不同的活性位,能否对产物选择性进行控制?
研究亮点:
1. 发现Cu电催化CO2还原中的三种特异性活性位
利用同位素标记法,同时还原13CO和12CO混合物,发现氧化物衍生的Cu催化剂中含有三种特异性活性位用于C-C偶联:一种用于生成乙醇和醋酸盐,一种用于生成乙烯,第三种用于生成丙醇。而在多晶Cu催化剂以及单晶(100)和(111)铜表面,均未发现以上现象。
2. 发现产物选择性关键指标
通过对产物的同位素组成进行分析,研究人员认为,*COOH的吸附能可能是特性活性位点产物选择性的关键指标。
图4. 不同活性位还原示意图