武漢理工大學李能&斯威本科技大學孫成華ACS Nano：二維金屬碳化物MXenes催化還原CO2的電化學機理

【引言】

二氧化碳（CO₂）是最主要的溫室氣體，我國作為排放大國正面臨嚴峻的減排壓力。中國政府高度重視CO2減排問題，國家主席習近平在巴黎氣候大會重申了中國此前做出的承諾，中國將于2030年左右使CO₂排放達到峰值并爭取盡早實現。這給國內能源結構、產業結構調整帶來巨大轉型壓力，相關技術創新和突破是實現碳排放峰值承諾的重要途徑。同時，CO₂也是一種自然界大量存在的“碳源”化合物，若能借助替代能源（太陽能、風能、核能等）電解水制得的氫氣將CO₂轉化為有用的化學品或燃料，將同時幫助解決大氣中CO₂濃度增加導致的環境問題、化石燃料的過度依賴以及可再生能源的存儲問題。汽油和航煤等烴類化合物是重要的運輸燃料，在世界范圍內應用廣泛、具有很高的經濟價值。著名諾貝爾化學獎獲得者Olah教授提出了“人工碳循環”的概念，若借助替代能源將CO₂直接轉化為液體燃料可使得整個碳循環更加有效。目前，CO₂資源化利用的研究主要集中在甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等簡單小分子化合物的合成，然而，由于CO₂分子的化學惰性，很難將其轉化為含有兩個碳原子及以上的化合物。二維材料MXene由于其具有出色的比表面面積以及其他物理化學性能，一直都被催化領域的研究者寄予厚望。因此研究新型二維材料MXene捕獲CO₂并轉化為甲醇和甲烷等燃料具有重要的研究意義和發展前景。

【成果簡介】

武漢理工大學李能教授和斯威本科技大學孫成華教授(共同通訊作者)合作，近期在ACS Nano上發表了題為“Understanding of Electrochemical Mechanisms for CO₂ Capture and Conversion into Hydrocarbon Fuels in Transition-Metal Carbides (MXenes)”的研究論文，報道了對于過渡金屬碳化物MXenes材料作為催化基體實現還原CO₂的電化學機理。本文借助量化計算，研究人員對MXenes表面沒有覆蓋官能團獲存在OH以及O官能團兩種體系捕獲CO2的電化學機制進行了深入系統的探討。通過比較MXene以及MXene-Tx(T=OH, O)這兩種體系還原CO2的熱力學和動力學過程，我們得出MXene更有利于CO2的捕獲和轉化為甲醇和甲烷；但是，考慮到目前實驗上難以合成純凈的MXene體系，我們又通過量化計算得出MXene-Tx (T=OH,O)體系在一定的條件下能夠適當的形成水而脫去羥基（OH），從而增強MXene- Tx體系的還原CO₂的能力。此研究結果為其他研究人員在后續實驗中利用MXenes材料作為催化劑還原處理CO₂，并以此為原料制備CH₄，提供了研究方向和理論基礎。

【圖文導讀】

圖1 CO₂與MXenes表面的相互作用

圖2 Mo₃C₂/Cr₃C₂-MXenes 表面捕獲CO₂過程

圖3 裸露Mo₃C₂捕獲CO₂并實現CO₂化學轉化機理CO₂→CH₄+H₂O

圖4 裸露Cr₃C₂捕獲CO₂并實現CO₂化學轉化機理

圖5 MXene-T_x (T=OH)脫羥基的能量相圖

圖6 Mo₃C₂(OH)₂實現CO₂催化還原的路徑及能量相圖

圖7 Mo₃C₂O₂實現CO₂催化還原的路徑及能量相圖

【小結】

本文新發現的MXene (Mo₃C₂與Cr₃C₂) 催化劑較之有官能團存在的情況下的MXene，更加促進CO₂在MXene表面的吸附，同時更容易激活其界面位點CO₂的活性；CO₂^δ-的穩定存在以及*COOH形成自由能的降低和吸附穩定性的提高更有利于促進CO₂RR過程。同時，研究了在酸性條件下，MXene-T_x(T=OH)中的羥基還原成H2O的電化學機理，從理論上證明了形成干凈的MXene表面的可行性。因此，該研究提出的MXene獨特催化性能將更好地促進二氧化碳排的減排，為設計高效電催化劑提供了新的途徑。

文獻鏈接：Understanding of Electrochemical Mechanisms for CO₂ Capture and Conversion into Hydrocarbon Fuels in Transition-Metal Carbides (MXenes) （ACS Nano,2017,Doi: 10.1021/acsnano.7b03738）

本文由材料人新能源組 深海萬里 整理。

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