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奋进南师

我校化科院兰亚乾课题组在电催化CO2还原领域取得突破性进展

 

近日,我校化科院兰亚乾教授课题组在电催化CO2还原机理研究方面取得重要的突破。相关成果“Disclosing CO2activation mechanism by hydroxyl−induced crystalline structure transformation in electrocatalytic process”为题发表在Matter《材料》上 (论文链接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.07.003)。Matter杂志是Cell Press旗下材料学科的顶级期刊,与Cell互为姐妹刊。

电催化CO2还原是利用电催化剂将CO2转化为能源产品的有效方法。在此过程中,第一步需要大量的能量来吸附和活化线性的CO2分子,这也是最关键的一步。其次,在三相体系中的CO2还原反应,难以监测到具体的分子,甚至电解质离子的参与过程。由于具体的分子变化的动态过程难以捕捉,其机理的探索一直停留在理论研究的水平,缺乏直接的分子水平上的结构证据,也成为电催化CO2还原反应中难以攻克的壁垒。明确的CO2活化机理对于研究不同还原产物的反应机理,开发高效的催化剂,提高电催化CO2还原的性能具有重要意义。

南京师范大学兰亚乾课题组设计并合成了一种稳定的OH配位的金属有机框架化合物(NNU-15)作为催化剂模型,来模拟碱性环境下催化剂的表面状态,并进一步探究电催化过程中CO2的活化机制。NNU-15将CO2还原生成CO的法拉第效率在-0.6V时高达99.2%,催化时长可达到110h以上,并且在较宽电位范围内(-0.6V到-0.9V)选择性仍可超过96%。在电催化过程中,NNU-15通过催化位点协同配位的OH去捕获CO2,生成HCO3螯合的NNU-15-CO2(具有明确晶体结构的中间体NNU-15-CO2)。这表明催化中心可以与OH协同捕获并活化CO2分子,NNU-15和NNU-15-CO2之间的单晶到单晶转变为揭示CO2活化机制提供了坚实的证据。DFT计算进一步表明,由于OH离子的参与,O吸附和C吸附的初始几何结构都倾向于形成HCO3

该工作证明了金属活性中心上的配位OH对CO2的化学吸附和活化有重要意义,HCO3的形成可能是碱性条件下电还原CO2机理的必要途径。这一重要发现可能会调整未来研究的重点,包括OH离子参与各种催化材料的催化机理,并极大地促进电还原CO2的进展。

本校化科院在读博士生黄青为文章第一作者,兰亚乾教授为通讯作者。

  • 更新时间

    2019年11月05日

  • 阅读量

  • 供稿

    化科院

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