哥倫比亞大學陳經廣Adv. Funct. Mater: 聚合物粘結劑中的官能團對Au納米粒子CO2 RR的作用

【引言】

電化學二氧化碳還原反應（CO₂?RR）引起了極大的關注，因為它已被認為是利用可再生資源減輕人為CO₂排放的可能途徑。在各種由CO_2?RR產生的C₁產物中，一氧化碳（CO）具有一定的經濟吸引力，因為CO隨后可以通過費托法或者甲醇合成反應進一步產生增值化學品。在各種CO_2?RR催化劑中，在各種CO_2?RR催化劑中，金（Au）通常被認為是基準催化劑因為CO產量比金催化的析氫反應（HER）。現已充分確定，參與CO_2?RR的反應中間體的結合能與催化活性和產物選擇性相關。很難期望除了Au以外的更好的單金屬電催化劑用于CO析出，因為基于不同中間體的結合能之間的結合關系，預測Au對CO產生具有最佳的選擇性。在這些情況下，出現了一個問題：是否有任何方法可以控制中間體在Au上的結合能，從而優化CO_2?RR的活性和選擇性？

【成果簡介】

近日，哥倫比亞大學陳經廣教授團隊通過結合實驗測量和密度泛函理論（DFT）計算系統地研究了聚合物粘合劑的不同官能團對Au催化劑上的CO₂ RR的作用。

密度泛函理論（DFT）計算表明，粘合劑中的末端官能團對反應中間體的結合能具有顯著影響，并因此改變了CO₂ RR性能。此外，通過實驗表明，與DFT預測一致，富含F的聚四氟乙烯（PTFE）粘合劑中的含氟（F）官能團使得CO產生法拉第效率極高（≈94.7％）。這些實驗和DFT結果表明，粘合劑替換和優化可能是目前面向材料的CO₂ RR研究之外的可能選擇之一。

【圖文導讀】

圖一本研究中使用的粘合劑的化學結構

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圖二 不同粘結劑的CO催化性能

圖三DFT理論計算

【小結】

總之，通過結合實驗測量和DFT計算系統地研究了官能團在聚合物粘合劑上對CO_2?RR的作用。發現聚合物粘合劑上的主要官能團可通過改變催化劑表面性質而顯著影響CO₂與CO的電催化轉化。 DFT計算表明，Au的CO_2??RR不僅可以通過穩定* HOCO中間體而且可以通過抑制HER反應來提升。本研究中的實例使用實驗評估和DFT計算的組合，證明了使用粘合劑的官能團來改變CO₂?RR活性和選擇性的可行性。目前的工作代表了一項基礎研究，重點關注具有替代CO_2?RR中既定成分的高潛力的粘合劑的功能作用。 未來的研究需要集中在了解粘合劑和電催化劑之間的各種可能的相互作用，這將進一步促進對粘合劑在提高CO_2?RR性能中的重要作用的理解。

文獻鏈接：“Understanding the Role of Functional Groups in Polymeric?Binder for Electrochemical Carbon Dioxide Reduction on?Gold Nanoparticles”(Adv. Funct. Mater. 2018,DOI: 10.1002/adfm.201804762)

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