二氧化碳电催化还原的串联反应机理阐述

随着近二百年来工业的快速发展，大量的化石燃料的使用导致了大气中二氧化碳浓度的逐年升高，随之而来的环境问题，如全球变暖、等逐渐引起人们的关注。一种非常有前景的解决方式是使用可再生能源，如太阳能、潮汐能等产生的电能，通过电化学的方式将二氧化碳转化为高附加值的化学产品，如甲烷、乙烯、乙醇等。二氧化碳的电催化还原既能够有效地降低大气中的二氧化碳含量，同时也为这些可再生能源提供了一种储存的解决方案。但目前仍没有一种可靠的催化剂能够高效地实现这一过程。为了研发出高效的催化剂，对这个过程的反应机理的研究显得尤为重要。近日，清华大学化学工程系陆奇（点击查看介绍）团队针对这个过程提出了其中可能的串联反应机制。

在这项工作中，研究者阐述了二氧化碳电化学还原中的串联反应机制，即二氧化碳还原过程可以拆分成两个连续的步骤从而分别优化：先使用高选择性的催化剂（如金、银等）作为衬底将二氧化碳还原为一氧化碳，再通过负载在衬底上的催化剂（铜）将一氧化碳还原为需要的化学产品。为了阐明这一理论模型，研究者首先通过密度泛函理论计算，证明了衬底产生的二氧化碳能够自发、快速地迁移到负载于衬底上的铜催化剂；负载的铜催化剂也能够在一定的电压下实现一氧化碳的电催化还原得到甲烷。进而，研究者依据计算化学结论的指导，通过电化学的实验手段，验证了这一模型的可行性。通过使用串联反应机制，研究者能够以接近60%的效率将二氧化碳转化为甲烷，相对于二氧化碳的直接还原而言，效率提升接近一倍。为了进一步确认串联反应机制的表面过程，研究者使用了原位全反射表面增强红外光谱研究这一电化学过程。在较低电压下，复合的电极材料便能够观测到特殊的一氧化碳的伸缩振动吸收峰，而单一的电极材料无法观测到这一吸收峰，从光谱的角度确认了实验模型中的串联反应机制。这项工作通过设计密度泛函计算及相应的实验模型，佐以原位红外光谱进行表面表征，阐明了二氧化碳电化学还原中串联反应机制的可行性，为二氧化碳化学还原的反应机理研究、催化剂设计、反应器优化提供了新的思路。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是清华大学博士研究生张皓晨和美国特拉华大学博士后常晓侠。

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）：

Computational and experimental demonstrations of one-pot tandem catalysis for electrochemical carbon dioxide reduction to methane

Haochen Zhang, Xiaoxia Chang, Jingguang G. Chen, William A. Goddard, Bingjun Xu, Mu-Jeng Cheng, Qi Lu

Nat. Commun., 2019, 10, 3340, DOI: 10.1038/s41467-019-11292-9

陆奇博士简介

陆奇副教授：2000 年进入浙江大学本科，2005 年赴美国 University of Delaware 攻读博士学位，并在之后分别于 University of Delaware 和 Columbia University 进行博士后工作。2016年1月就职于清华大学化学工程系，现为清华大学化工系副教授，主要从事新能源化工、多相催化和纳米结构材料的研究工作。曾获得 Fondazione Oronzio and Niccolò De Nora Fellowship in Applied Electrochemistry（2014）、Daicar-Bata Prizes for Best Research Paper, University of Delaware（2011）等多项学术奖项。在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials等高影响期刊上发表多篇学术论文，学术成果曾被知名科学新闻媒体 Science Daily、Chemistry Views、Materials View 等进行专题报导。

陆奇

https://www.x-mol.com/university/faculty/21104

课题组链接

https://www.qi-lu-research-group.net/