陈经广,全燮教授Nat. Comm.：单原子铜实现CO2高效选择性制丙酮- 大数跨境

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陈经广,全燮教授Nat. Comm.：单原子铜实现CO2高效选择性制丙酮

科学材料站

2020-05-24

导读：本文将Cu单原子固定在N-掺杂多孔碳上，制备了一种Cu单原子催化剂（Cu-SA/NPC）。并评估了Cu-SA/NPC对CO2的电化学还原作用。该催化剂在低过电位下可将CO2还原成乙酸、乙醇和丙酮产物，

N掺杂多孔碳上的铜单原子可将CO2选择性电还原为丙酮

大连理工大学、哥伦比亚大学

导读

将CO₂有效地电还原为多碳产物是一项具有挑战性的反应，因为CO₂的活化和C-C偶联具有高能垒，这可以通过设计催化剂的金属活性位点和配位环境来调整。近年来，单原子催化剂凭借其独特的电子结构和金属位点的不饱和配位环境在CO₂还原方面展现出巨大的潜力。但很少有报道利用Cu单原子催化剂将CO₂还原为C₂₊产物。

近日，大连理工大学的全燮教授、哥伦比亚大学的陈经广教授等人利用Cu单原子催化剂将CO₂还原为C₂₊产物在国际知名期刊Nature Communication上发表题为“Selective electroreduction of CO₂to acetone by single copper atoms anchored on N-doped porous carbon”的文章。文章第一作者是Kun Zhao。

本文将Cu单原子封装在N掺杂多孔碳上，制备了一种Cu单原子催化剂（Cu-SA / NPC），以将CO₂还原为多碳产物。丙酮被认为是主要产品，其法拉第效率为36.7％，产率为336.1μg h^-1。密度泛函理论（DFT）计算表明，铜与四个吡咯N原子的配位是主要的活性位点，减少了CO₂活化和C-C连接所需的反应自由能。本文提出了将CO₂还原为CH₃COCH₃的有利的途径，并阐明了在Cu-SA/NPC上形成丙酮的起源。这项工作为合理设计设计用于将CO2还原为多碳产品的高效电催化剂提供了启示。

背景简介

1. CO₂RR研究意义

通过电化学将CO₂还原成高附加值的化学品和燃料，是一个解决能源危机和全球变暖问题的方法。CO₂可以通过不同的质子、电子转移步骤以及不同的还原途径转化为C₁、C₂或C₂₊产品。由于多碳（C₂和C2+）产物价值较高，能量密度较大，因此将CO₂还原为多碳产物是比较理想的。

2. CO₂RR研究现状

近年来，人们设计了许多用于CO₂还原的电催化剂，如金属、金属氧化物和碳基材料等。在这些催化剂中，铜（Cu）具有将CO₂还原为多碳产品的能力。这可能与CO中间体在Cu上具有最佳结合能有关，导致CO中间体的进一步还原，从而实现C-C偶联。虽然Cu基催化剂可以将CO₂还原为C₂产物，但目前在CO₂活化和C-C偶联方面仍存在障碍，导致形成C₂产物所需的过电位较大。此外，很少有报道利用Cu基电催化剂将CO₂高效还原为C₂₊产物，如C₃氧酸盐。

具有原子分布的活性金属位点的单原子催化剂（SACs）由于其最大的原子利用效率、独特的电子结构和金属中心的不饱和配位环境，已被证明对CO₂的还原具有更高的活性和可调控的选择性，在CO₂还原方面具有巨大的潜力。

核心内容

本文将Cu单原子固定在N-掺杂多孔碳上，制备了一种Cu单原子催化剂（Cu-SA/NPC）。并评估了Cu-SA/NPC对CO₂的电化学还原作用。该催化剂在低过电位下可将CO₂还原成乙酸、乙醇和丙酮产物，其中丙酮是主要产物。本文研究了SAC中铜分布和局部配位环境对CO₂还原的影响。通过联合实验和DFT研究，阐明了Cu-SA/NPC的活性位点和CO₂活化、C-C偶联和CH₃COCH₃的形成机理。

图2：Cu-SA/NPC的结构表征

a. Normalized XANES spectra at Cu K-edge of Cu-SA/NPC, Cu₂O, cupric acetylacetonate (Cu(acac)₂), copper meso-tetraphenylporphine (CuTPP), and Cu foil.

b. Fourier transforms (FT) magnitude of the experimental EXAFS spectra of Cu-SA/NPC, Cu(acac)₂, CuTPP, and Cu foil.

c. EXAFS R space fitting curves of Cu-SA/NPC.

文章链接:

Selective electroreduction of CO₂to acetone by single copper atoms anchored on N-doped porous carbon

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16381-8

老师简介:

全燮，大连理工大学教授，化工与环境生命学部部长，教育部长江学者奖励计划特聘教授。任国务院学科评议组成员，国家“十•五”重大科技专项“水污染控制技术与治理工程”总体专家组成员，国家“十一•五”863计划“资源与环境”领域专家组成员，大连市环境科学学会理事长。主要从事废水处理与可持续利用技术、环境功能材料及其污染控制应用基础研究。获国家自然科学二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，省部级科学技术一等奖5项；获授权发明专利60余项；发表论文300余篇，引用22000余次。

信息来源：http://est.dlut.edu.cn/info/1020/1100.htm

陈经广

哥伦比亚大学Thayer Lindsley教授，化学工程系主任，同时受聘于Brookhaven美国国家实验室。毕业于南京大学并获得学士学位，赴美国匹兹堡大学学习并获得博士学位，获洪堡奖学金并在德国进行博士后工作。现任北美催化协会主席，ACS Catalysis副主编。主要从事功能型催化材料的设计及其在非均相催化、电催化领域中的应用研究。获得多项奖项，包括2015年度美国化学学会George Olah奖、2017年度北美催化学会Robert Burwell Lectureship奖、2020年度加拿大催化分部R.B. Anderson奖。获得美国发明专利20余项，发表论文400余篇，引用30000余次。

课题组主页：http://blogs.cuit.columbia.edu/chengroup/