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奮進南師

我?;圃豪佳喬翁庾樵詰绱呋疌O2還原領域取得突破性進展

 

近日,我?;圃豪佳喬淌誑翁庾樵詰绱呋疌O2還原機理研究方面取得重要的突破。相關成果“Disclosing CO2activation mechanism by hydroxyl?induced crystalline structure transformation in electrocatalytic process”為題發表在Matter《材料》上 (論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.07.003)。Matter雜志是Cell Press旗下材料學科的頂級期刊,與Cell互為姐妹刊。

電催化CO2還原是利用電催化劑將CO2轉化為能源產品的有效方法。在此過程中,第一步需要大量的能量來吸附和活化線性的CO2分子,這也是最關鍵的一步。其次,在三相體系中的CO2還原反應,難以監測到具體的分子,甚至電解質離子的參與過程。由于具體的分子變化的動態過程難以捕捉,其機理的探索一直停留在理論研究的水平,缺乏直接的分子水平上的結構證據,也成為電催化CO2還原反應中難以攻克的壁壘。明確的CO2活化機理對于研究不同還原產物的反應機理,開發高效的催化劑,提高電催化CO2還原的性能具有重要意義。

南京師范大學蘭亞乾課題組設計并合成了一種穩定的OH配位的金屬有機框架化合物(NNU-15)作為催化劑模型,來模擬堿性環境下催化劑的表面狀態,并進一步探究電催化過程中CO2的活化機制。NNU-15將CO2還原生成CO的法拉第效率在-0.6V時高達99.2%,催化時長可達到110h以上,并且在較寬電位范圍內(-0.6V到-0.9V)選擇性仍可超過96%。在電催化過程中,NNU-15通過催化位點協同配位的OH去捕獲CO2,生成HCO3螯合的NNU-15-CO2(具有明確晶體結構的中間體NNU-15-CO2)。這表明催化中心可以與OH協同捕獲并活化CO2分子,NNU-15和NNU-15-CO2之間的單晶到單晶轉變為揭示CO2活化機制提供了堅實的證據。DFT計算進一步表明,由于OH離子的參與,O吸附和C吸附的初始幾何結構都傾向于形成HCO3。

該工作證明了金屬活性中心上的配位OH對CO2的化學吸附和活化有重要意義,HCO3的形成可能是堿性條件下電還原CO2機理的必要途徑。這一重要發現可能會調整未來研究的重點,包括OH離子參與各種催化材料的催化機理,并極大地促進電還原CO2的進展。

本?;圃涸詼斂┦可魄轡惱碌諞蛔髡?,蘭亞乾教授為通訊作者。

  • 更新時間

    2019年11月05日

  • 閱讀量

  • 供稿

    化科院

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