王定胜教授、苏亚琼教授， Nano Letters观点：Lewis Acid位点促进单原子Cu催化电化学CO2甲烷化- 大数跨境

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王定胜教授、苏亚琼教授， Nano Letters观点：Lewis Acid位点促进单原子Cu催化电化学CO2甲烷化

科学材料站

2021-08-20

导读：该工作通过理论和实验结合的方法研究了路易斯酸位点和相邻Cu单原子位点间的相互作用和电催化CO2还原性能的关系

文章信息

Lewis Acid位点促进单原子Cu催化电化学CO2甲烷化

第一作者：陈圣华，王兵庆

通讯作者：王定胜*，苏亚琼*

单位：清华大学，西安交通大学

研究背景

电化学 CO2 还原到CH4是将CO2转化为化学燃料、有效中和CO2排放并结束碳循环的一种很有前景的方法。然而，将电子注入CO2以转化为甲烷需要较大的过电位，并且往往伴随着较差的活性和选择性，这限制了CO2转化的商业化。

最近，单原子催化剂 (SAC) 因具有明确且独特的活性中心而受到了广泛的关注，并且在电催化反应、有机转化和环境催化等领域取得了优异的活性和选择性。

特别的，Cu单原子 (SA) 材料在电催化CO2还原（CO2RR）制备甲烷中表现了诱人的前景，但仍然存在一定的局限性。如何提高Cu单原子催化剂电催化CO2还原到甲烷的活性和选择性至关重要。

文章简介

基于此，来自清华大学的王定胜教授与西安交通大学的苏亚琼教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Lewis Acid Site-Promoted Single-Atomic Cu Catalyzes Electrochemical CO2 Methanation”的研究性论文。

该工作通过理论和实验结合的方法研究了路易斯酸位点和相邻Cu单原子位点间的相互作用和电催化CO2还原性能的关系，揭示了路易斯酸能有效调节单原子Cu活性中心电子密度分布，从而优化了其电催化CO2甲烷化性能，并设计了富路易斯酸位点的超薄多孔的Al2O3氧化物负载的单分散的Cu单原子催化剂。

这项工作为在原子尺度下合理设计和优化催化剂提供新的思路。相关工作发表在Nano. Lett.

图1. Cu/p-Al2O3 SACs的结构表征。

本文要点

要点一：理论和实验探究不同Lewis Acid载体对促进Cu单原子甲烷化的影响

首先，我们通过理论计算证明了金属氧化物（例如Al2O3、Cr2O3）中的路易斯酸位点可以通过优化中间吸收来调节Cu原子的电子结构，从而促进电化学CO2甲烷化。

基于这些理论结果，我们从实验上观察到强路易斯酸Al2O3负载的Cu单原子催化剂相对弱路易斯酸Cr2O3具有更强的电化学CO2甲烷化能力。

结合XPS，NH3-TPD等表征手段，进一步论证了强路易斯酸载体Al2O3上的Cu原子比Cr2O3上的Cu原子处于更高的氧化态（电子从Cu原子转移到载体上），Cu SA位点上较低的电子积累有利于在CO2RR 期间与富电子基团结合，形成了有利于产生甲烷的反应途径。

要点二：富路易斯酸位点的超薄多孔Al2O3锚定的Cu单原子位点催化剂的制备及实现高效的电催化CO2甲烷化

根据理论计算和初步的实验优化结果，我们设计合成了具有富集路易斯酸位点的超薄多孔Al2O3锚定的Cu单原子位点催化剂（Cu/p-Al2O3 SAC），并通过球差矫正电镜、X射线精细结构谱等表征技术验证了该活性结构的成功制备。

Cu/p-Al2O3 SAC催化剂表现出优异的CO2到CH4性能，-1.2 V（相对于 RHE）下实现了62%的法拉第效率 (FE)，相应的CH4形成电流密度为 153.0 mA cm-2。

此外，我们还通过吡啶毒化试验进一步验证了路易斯酸能有效促进CH4的形成。。在Cu基催化剂中，Cu/p-Al2O3 SAC的催化性能有着明显较高的甲烷化性能，这得益于其独特的路易斯酸促进作用以及优化的Cu的电子密度分布。

文章链接

Lewis Acid Site-Promoted Single-Atomic Cu Catalyzes Electrochemical CO2 Methanation

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.1c02502

通讯作者介绍

王定胜教授。

王定胜教授于1982年出生。2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授。2015年获博士生导师资格。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖人才计划。王定胜课题组一直致力于无机纳米材料化学研究领域，以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。

课题组已经在国际知名学术期刊发表学术论文100余篇，包括Nat. Catal.，Nat. Chem.、Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际知名期刊。

苏亚琼教授。

2014年于厦门大学化学系获理学硕士学位，2018年于荷兰埃因霍温理工大学获得博士学位。2017年9月至2018年3月于美国特拉华大学从事访问学者研究，2018年9月至2019年9月于埃因霍温理工大学从事博士后研究，2019年11月至2020年8月于厦门大学能源材料化学协同创新中心（2011-iCHeM）从事访问学者研究。2020年8月加入西安交通大学化学学院，特聘研究员，博士生导师，西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”入选者。

苏亚琼课题组（计算能源催化课题组）主要研究方向为理论和计算催化/能源/材料。通过第一性原理、分子动力学、微观反应动力学、以及机器学习和蒙特卡洛等算法，致力于多相催化理论模拟和新型催化材料优化设计；同时也开展有电子转移理论和界面电化学、表面增强拉曼光谱化学增强机理等理论研究方向。

课题组已经在Science、Nature Catal.、Nature Comm.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Catal.、npj Comput. Mater.、Chem. Sci.、Chem. Mater.、Environ. Energy Sci.、Sci. Bull.、Small等国际学术期刊发表文章60余篇，其中第一作者/通讯作者23篇。文章引用次数超过1500次，h指数=19。多次受邀在Frontier in Chemistry、Catalysts、Journal of Chemistry等国际学术期刊担任专刊客座编辑，同时担任Transactions of Tianjin University等期刊青年编委。