肖建平课题组揭示二氧化碳高选择性电还原的“双通道”机理

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近日，我所理论催化创新特区研究组（05T8组）肖建平研究员团队与电子科技大学夏川教授团队、中国科学技术大学曾杰教授团队合作在二氧化碳（CO2）转化研究中取得新进展，研发出铅单原子合金化的铜基催化剂（Pb1Cu），实现了CO2高活性、高选择性还原制备甲酸盐，并探究了该过程的理论机理。

　　利用可再生能源进行CO2电还原是实现“双碳”目标的重要手段之一。甲酸是一种能量载体，也可作为燃料电池的液体燃料，通过CO2电还原制备甲酸是其资源化利用的重要研究方向。研究中，夏川团队和曾杰团队通过制备铅单原子合金化的铜基催化剂Pb1Cu，在实现CO2高效电还原制备甲酸盐的同时，保证了该铜基催化剂的高选择性和稳定性。肖建平团队进一步确定了Pb1Cu的催化机理及活性位点，揭示了Pb1Cu的高催化活性和高选择性的根本原因。

　　肖建平团队建立了“双通道”二维反应相图，用于模拟CO2还原在不同催化剂表面的活性趋势变化。研究发现，不同于传统单一催化反应通道所建立的活性趋势，CO2电还原制备甲酸盐过程中存在羧酸根（COOH*）机理和甲酸根（HCOO*）机理，形成催化反应的“双通道”。因此，CO2电还原制备甲酸盐过程的活性趋势体现了双活性顶点的性质。通过反应相图活性趋势的研究，肖建平团队证明，CO2电还原制备甲酸盐反应中，Pb1Cu催化剂主要符合HCOO*机理，这说明更优的HCOO*吸附能是Pb1Cu催化剂表现出高CO2电还原活性的原因。此外，铜位点也被验证是Pb1Cu催化CO2电还原制备甲酸盐的活性位点。该研究为设计高活性和特定选择性电催化材料提供了新思路。
　　相关研究以“Copper-catalysed Exclusive CO2 to Pure Formic Acid Conversion via Single-atom Alloying”为题，于近日发表在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。该工作的第一作者是中科大博士后郑婷婷，中科大博士研究生刘春晓，我所05T8组助理研究员郭辰曦。上述工作得到中科院洁净能源创新研究院合作基金、国家自然基金委、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”等项目的支持。（文/图 郭辰曦）
　　文章链接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00974-5 　　
       文章来源：大连化物所
      肖建平博士2009-2013年在德国不来梅大学物理和电子工程系攻读博士学位(指导导师：Thomas Frauenheim教授和Thomas Heine教授)，主要从事固体氧化物表面稳定性和反应性的理论研究。2013-2015年在中国科学院大连化学物理研究所进行博士后研究工作(合作导师：包信和 研究员/院士)，主要研究在限域环境下催化反应中的一般性规律和电子结构根源。2015-2017年在美国斯坦福大学进行博士后研究工作(合作导师：Jens K. Nørskov 教授/院士)，主要研究电化学还原二氧化碳得到液体燃料的基本原理和方法。2017年11月回国在浙江西湖高等研究院-理学研究所工作，总共发表学术论文57篇，包括Science, Nature Energy, Nature Communications, PNAS, PRL, JACS, Angew Chem, Chem. Sci.等等。