二维材料参与的CO2电化学还原

CO₂热力学较为稳定（标准摩尔生成焓为-393.51 kJ•mol^-1）、惰性、不易活化（C=O键键能为~750 kJ•mol^-1）。因此，实现CO₂在温和条件下的化学转化是一项极具挑战性的研究。CO₂电化学还原可将太阳能、风能等可再生能源转化的电能进一步转化成化学能，储存在高附加值的燃料与化学品中。尽管CO₂电化学还原逐步引起各国科学家的关注和研究兴趣，但该领域仍然存在许多亟待解决的问题，例如：（1）过高的外加电势（或低能量效率）；（2）缓慢的电子传递动力学；（3）产物的选择性不理想；（4）偏电流密度过低（仅几十毫安每平方厘米）；（5）催化剂的稳定性与耐久性欠佳（小于100小时）等。上述问题极大地限制了已有电极催化材料的实际应用和商业化。基于此，开发高性能的催化材料，降低CO₂电化学还原的过电位，提高催化材料的活性、选择性和稳定性具有重要的科学意义和工业价值。

与传统的催化材料相比，二维纳米材料（纳米片）具有更大的比表面积，有利于反应物的扩散；具有更多暴露的活性位点，有利于界面电荷的快速转移。同时，二维材料可以通过异质原子（金属或非金属元素）掺杂进一步增加低配位的原子比，促进反应物的化学吸附与活化；此外，人们也可通过控制空位缺陷和外界刺激（电场、应变、光照等）实现对电子结构的调节，有效调节其催化性质。近年来，二维纳米结构的金属（如Co、Ag、Sb纳米片）、金属氧化物（如SnO₂、Co₃O₄）、金属硫族化物（如MoS₂、WSe₂、SnS₂、MoSeS和Mo-Bi双金属硫化物等）以及二维碳材料（单原子掺杂、多原子掺杂石墨烯）等在CO₂电化学还原领域均表现出巨大的潜力。

北京化工大学的孙振宇教授（点击查看介绍）课题组与中科院化学研究所的韩布兴院士（点击查看介绍）总结了二维纳米材料在电催化还原CO₂领域的最新研究进展。文章首先概述了CO₂电化学还原的主要参数、反应热力学和动力学，并进一步对C₁（HCOO⁻或HCOOH、CO、HCHO、CH₃OH、CH₄）、C₂（C₂H₄、CH₃CHO、C₂H₅OH、CH₃COOH或CH₃COO⁻）和C₃（C₃H₇OH）还原产物的生成路径进行了归纳。针对多种特定的还原产物，他们重点讨论了金属基和非金属二维纳米材料对CO₂还原的电催化性能，通过比较不同二维材料对CO₂电化学还原的过电位、法拉第效率、偏电流密度、塔菲尔斜率和催化稳定性，得出目前CO₂电化学还原特定产物最好的二维催化材料。此外，文章对报道的二维材料的催化活性位点和高活性也进行了讨论，并提出对纳米片进行表面改性（包括表面缺陷、表面孔隙度、暴露晶面和表面物相等）或构建异质结纳米片复合材料，结合离子液体电解质溶液，有望进一步提高CO₂电化学还原的催化活性。

同时，文章也指出宏量、控制生产二维纳米材料是CO₂电化学还原实际应用的关键。化学气相沉积法和液相剥离法可潜在应用于制备层状二维材料，但规模化制备具有本征催化活性的非层状原子级厚度的纳米薄片仍有待开发。二维材料的电子特性可通过不同的维度（厚度和横向维度）进行调节，以提高电子转移和CO₂还原的效率。因此，除了材料的产量和制备成本外，人们还需要控制层数、薄片尺寸、缺陷的种类及含量。为了更深入地理解反应路径和中间产物，作者揭示了二维材料结构、催化活性以及选择性的构效关系，发展原位（光谱）表征技术将有助于开发更精确的理论模型。采用更先进的合成与表征手段，将理论计算与实验研究结合，进一步探究新型二维纳米材料及其纳米复合材料，有望在电催化还原CO₂领域取得更多的突破。文章还指出，控制合成含有多种催化活性位点的二维材料复合物或异质结可提高C₂₊还原产物的选择性。

该综述于近期发表在Chem上，第一作者兼通讯作者是北京化工大学的孙振宇博士（教授）。

该论文作者为：Zhenyu Sun, Tao Ma, Hengcong Tao, Qun Fan and Buxing Han

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Fundamentals and Challenges of Electrochemical CO₂ Reduction Using Two-Dimensional Materials

Chem, 2017, 3, 560, DOI: 10.1016/j.chempr.2017.09.009

导师介绍

韩布兴

http://www.x-mol.com/university/faculty/15514

孙振宇

http://www.x-mol.com/university/faculty/48501

课题组链接

http://nanocarbon.cn/