近年來，利用電化學還原的方法，將CO2分子轉化為各種高附加值產物（比如CO, CH4, C2H4, C2H5OH等）得到越來越多研究者的關注。在CO2電還原的產物中，甲烷（CH4）是天然氣的主要成分和重要的工業原料，還可以作為燃料電池的原料，具有重要的實用價值。但是由於從CO2到CH4，需要經過八電子轉移過程，反應路徑長，動力學速率緩慢，導致目前還難以實現很高的CH4選擇性和電流密度。如何設計高效的催化劑實現從CO2到CH4的高選擇性轉化是一個挑戰。
近日，中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室曹榮和黃遠標團隊，和柴國良研究員合作，在科技部重點研發專項計劃、國家自然科學基金項目、中科院戰略性先導科技專項、前沿科學重點研究項目、中科院青促會優秀會員項目資助下，在含有周期性排列的Cu-O4結點的導電Cu-MOF上通過電還原處理，成功在導電MOF基底上原位構築了均勻分布的單一類型的Cu2O(111)量子點，並通過釋放的羥基穩定中間體，從而實現了將CO2高效的轉化為CH4，選擇性最高達73%。通過導電性測試，證實電化學處理前後的材料均具有優秀的導電性，可以加速電子的轉移過程，從而讓CO2到CH4的8電子轉移路徑能夠暢通運轉。通過設計對照實驗結合理論計算分析，證明氫鍵的形成確實能很好地穩定特定的中間產物，從而顯著提高CH4的選擇性。
該工作揭示了氫鍵的引入在CO2電還原過程中的重要作用，同時也證明設計單一活性位點可以有效提高特定產物的選擇性，為後續設計合成催化劑，實現特定產物的高選擇性，提供了新的思路。這一成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 23641–23648上（VIP文章），並被選為卷首插畫。文章共同第一作者為伊俊東博士後和解瑞寬博士後。
此外，該團隊近期在導電COF材料上電催化CO2還原取得了系列進展，極大的提高了電流密度，如在卟啉基COF上引入四硫富瓦烯(ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005)，D-A異質結結構（Small 2020, 2004933, ），完全共軛平面酞菁結構（Small 2020, 2005254）。設計三嗪卟啉基框架(CCS Chem. 2019, 1, 384)和N摻雜碳納米管(Appl. Cataly. B: Environment. 2020, 271, 118929)穩定單分散活性中心，提高穩定性。
來源：福建物構所
論文連結：
https://doi.org/10.1002/anie.202010601