二氧化碳电催化还原制甲酸取得重要进展

发布日期:2019-2-23     浏览次数:2110次    发布者:刘春英    

我院王野课题组与吴德印课题组合作,在二氧化碳电催化还原制甲酸的研究上取得重要突破,相关成果“Promoting electrocatalytic CO2 reduction to formate via sulfur-boosting water activation on indium surfaces”发表于Nature CommunicationsNat. Commun. 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-08805-x)。

CO2电催化转化成燃料和化学品具有重要意义,得到广泛的关注。甲酸作为一种重要的工业原料,在制药、皮革和造纸方面都有重要应用,还可以作为氢载体用于直接甲酸燃料电池。目前,CO2电催化还原制甲酸虽然可以获得较高的法拉第效率,但其高法拉第效率通常仅能在较低活性下实现,并且电位或电流的改变将显著影响其法拉第效率,这导致工业上关注的甲酸生成速率难以提高。

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一般认为,H2O还原析氢反应是CO2还原反应的竞争反应,若促进H2O活化将降低CO2还原反应的法拉第效率。因此,基于该认识设计出的高CO2还原法拉第效率的催化剂常常活性低。王野课题组打破这种认识,提出H2O分子活化在CO2还原中起着重要的作用,成功合成出硫修饰In催化剂来活化H2O分子而促进CO2还原制甲酸的新方法,该催化剂在非常宽的电流密度范围内(25~100 mA cm-2),均可以维持85%以上的甲酸法拉第效率。在93%的甲酸法拉第效率下,甲酸的生成速率可达1449 mmol h-1 cm-2,突破了目前CO2电催化还原制甲酸生成速率的极限(1000 mmol h-1 cm-2)。通过DFT计算明确了In表面S的促进机制。将硫拓展至硒和碲等其它硫族元素以及将金属铟拓展至铋和锡等其它p区金属,均实现很好的促进效果,表明通过促进水的活化来提高CO2电催化还原性能具有普适性。该工作为理性设计高效的CO2还原电催化剂提供了新策略。

王野课题组一直致力于C1化学领域的基础研究。在CO2、合成气、甲醇等小分子的催化转化方面,取得了一系列重要突破(Nat. Catal. 2018, 1, 787; Nat. Commun. 2018, 9, 1181; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12012; Chem 2017, 3, 334; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4725; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 4553; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 5776; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2438; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5200)

该研究工作实验部分主要由王野、张庆红教授指导,能源材料化学协同创新中心iChEM2016级博士生马文超、固体表面物理化学国家重点实验室高级工程师谢顺吉(共同第一作者)完成;理论计算部分由吴德印教授指导,2015级博士生张霞光(共同第一作者)完成。醇醚酯国家工程实验室高级工程师康金灿参与了部分实验表征。上海光源姜政教授和孙凡飞博士为同步辐射表征提供了支持。研究工作得到科技部重点研发计划(批准号:2017YFB0602201)和国家自然科学基金(批准号:216900829154520321503176)等项目的资助。

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论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-08805-x 

课题组主页:http://pcoss.xmu.edu.cn/wangye/