大連化物所汪國雄團隊和中科院院士包信和團隊：二氧化碳電催化還原研究獲進展

【成果簡介】

?中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員汪國雄、楊帆和中科院院士包信和研究團隊在金屬-氧化物界面增強的二氧化碳電催化還原研究方面取得新進展，研究成果以“Enhancing CO₂?Electroreduction with the Metal-Oxide Interface”為題發表在日前出版的Journal of the American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652)上。

【圖文導讀】

圖1 碳載Au-CeOx催化劑的結構和性能?

(a)碳載Au-CeOx催化劑的高倍透射電鏡圖。Au/C，CeOx/C和Au-CeOx/C催化劑在CO₂飽和的0.1 M KHCO₃溶液中生產CO的(b)法拉第效率，(c)幾何局部電流密度，(d)比活性及其對應用電位的依賴。(c)中也給出了Vulcan XC-72R生產CO的電流密度。

圖2 CO₂RR 0 V (vs. RHE)在Au(111)和Ce3O7H7/Au(111)表面的密度泛函理論計算

(a)主要中間產物的優化結構。

(b)計算的自由能圖。“^*X”代表表面吸附物種。

【研究內容】

?二氧化碳電催化還原，以可再生電能或富余核電等潔凈電能為能源，在溫和的反應條件下將二氧化碳一步轉化為一氧化碳、甲酸、碳氫化合物和醇類等高附加值燃料及化學品，同時實現二氧化碳的高效轉化和潔凈電能的有效存儲。當前，設計高效催化劑來降低過電勢和提高反應選擇性是二氧化碳電催化還原研究中極具挑戰性的熱點課題。

該研究團隊在二氧化碳電催化還原前期研究基礎上(J. Am. Chem. Soc.?2015, 137, 4288; Nano Energy?2016, 27, 35;?Chem. Sci.?2017, 8, 2569; Nano Res.?2017, doi: 10.1007/s12274-017-1514-6)，基于對金屬-氧化物界面催化限域效應的充分理解(Science?2010, 328, 1141; Nat. Sci. Rev.?2015, 2, 183;?Nat. Commun.?2017, 8, 14459)，設計合成了金屬-氧化物界面結構的碳載Au-CeOx催化劑，在保證不同催化劑中Au納米粒子尺寸和形貌相同的情況下，研究了Au-CeOx界面與二氧化碳電催化還原性能的內在關聯。在–0.89 V (vs. RHE)時，Au-CeOx催化劑上生成一氧化碳的法拉第效率達到89.1%，遠高于單獨的Au(59.0%)或CeOx催化劑(9.8%)，生成一氧化碳的電流密度是Au的1.6倍。通過構筑CeOx/Au(111)模型催化劑，利用高分辨掃描隧道顯微鏡和同步輻射能譜進行原位研究，發現Au-CeOx界面顯著促進了二氧化碳在CeOx表界面的吸附與活化，以及水的存在幫助了CeOx表面的還原與表面吸附二氧化碳物種的穩定。密度泛函理論計算進一步表明在后續的加氫過程中，Au-CeOx界面幫助穩定了關鍵中間物種*COOH，從而促進了一氧化碳的生成和脫附。這種界面增強的二氧化碳電催化還原在Ag-CeOx催化體系上得到了進一步證實，表明了金屬-氧化物界面催化體系在二氧化碳電催化還原中的普適性。該研究成果提供了調控二氧化碳電催化還原性能的新途徑，豐富和拓展了該研究團隊提出的納米限域催化概念。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中科院先導專項等項目的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201705/t20170512_4600911.shtml

文獻鏈接：Enhancing CO₂?Electroreduction with the Metal-Oxide Interface

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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