化工系陸奇團隊在串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷研究中取得...

2020-12-05 清華大學新聞網

化工系陸奇團隊在串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷研究中取得突破

清華新聞網7月29日電 近日，化工系工業催化中心陸奇副教授帶領的研究團隊在《自然·通訊》 (Nature Communications) 上發表了題為《串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷的計算及實驗研究》 (Computational and experimental demonstrations of one-pot tandem catalysis for electrochemical carbon dioxide reduction to methane) 的研究論文。

隨著工業的快速發展，大量的化石燃料的使用導致了大氣中二氧化碳濃度的逐年升高，隨之而來的環境問題，如溫室效應、沙漠化等逐漸引起人們的關注。一種非常有前景的解決方式是使用可再生能源，如太陽能、潮汐能等產生的電能，通過電化學的方式將二氧化碳轉化為高附加值的化學產品，如甲烷、乙烯、乙醇等。二氧化碳的電催化還原既能夠有效地降低大氣中的二氧化碳含量，同時也為這些可再生能源提供了一種儲存的解決方案。但目前仍沒有一種可靠的催化劑能夠高效地實現這一過程。為了研發出高效的催化劑，對這個過程的反應機理的研究顯得尤為重要。

圖1. (a) 密度泛函計算模型 (b) 一氧化碳在電極表面遷移的能量曲面

 (c) 遷移而來的一氧化碳在電極表面的還原機理

在這項工作中，研究者闡述了二氧化碳電化學還原中的串聯反應機制，即二氧化碳還原過程可以拆分成兩個連續的步驟從而分別優化：先使用高選擇性的催化劑（如金、銀等）作為襯底將二氧化碳還原為一氧化碳，再通過負載在襯底上的催化劑（銅）將一氧化碳還原為需要的化學產品。為了闡明這一理論模型，研究者首先通過密度泛函理論計算，證明了襯底產生的二氧化碳能夠自發、快速地遷移到負載於襯底上的銅催化劑；負載的銅催化劑也能夠在一定的電壓下實現一氧化碳的電催化還原得到甲烷。進而，研究者依據計算化學結論的指導，通過電化學的實驗手段，驗證了這一模型的可行性。通過使用串聯反應機制，研究者能夠以接近60%的效率將二氧化碳轉化為甲烷，相對於二氧化碳的直接還原而言，效率提升接近一倍。為了進一步確認串聯反應機制的表面過程，研究者使用了原位全反射表面增強紅外光譜研究這一電化學過程。在較低電壓下，複合的電極材料便能夠觀測到特殊的一氧化碳的伸縮振動吸收峰，而單一的電極材料無法觀測到這一吸收峰，從光譜的角度確認了實驗模型中的串聯反應機制。這項工作通過設計密度泛函計算及相應的實驗模型，佐以原位紅外光譜進行表面表徵，闡明了二氧化碳電化學還原中串聯反應機制的可行性，為二氧化碳化學還原的反應機理研究、催化劑設計、反應器優化提供了新的思路。

論文共同第一作者為清華大學化學工程系2017級博士生張皓晨和美國德拉瓦大學化學工程系博士後常曉俠。美國哥倫比亞大學陳經廣（Jingguang G. Chen）教授，美國加州理工學院威廉·戈達德三世（William A. Goddard III）教授參與了該項研究工作。論文共同通訊作者為美國德拉瓦大學化學工程系徐冰君副教授、臺灣成功大學化學系鄭沐政副教授和清華大學化學工程系陸奇副教授。該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金基金等項目資助。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11292-9#Sec15

供稿：化工系

編輯：趙姝婧

審核：高原

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