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物质科学
Physical science
作为世界领先的全科学领域学术出版社,细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏,以期增进学术互动,促进国际交流。
2022年第十三期(总第97期)专栏文章,由来自中国科学院化学研究所 研究员 中科院青年创新促进会会员 李晓娜,就 Chem Catalysis中的论文发表述评。
具有高活性并兼具高选择性的催化剂,一直是化学科研人心中追求的“白月光”。某些时候,人们宁可一定程度牺牲催化活性,也要获取高选择性,以避免繁琐的后期产物分离过程。
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电化学CO2还原反应(CO2RR)可实现将间歇性、可再生的电能以燃料形式储存起来。由于甲烷易于存储和运输,其转化利用也具有良好的基础,是燃料储存的最优选择之一。铜基催化剂是CO2RR最有效的催化剂,但通常所得产物分布广泛,易发生C-C偶联生成多碳产物,甲烷的选择性较低。前期,研究者提出了多种策略来提升铜基催化剂通过CO2RR制甲烷的选择性,例如制备Cu(I)-基催化剂和低配位数的Cu团簇、掺杂、调控CO2压力等。然而,反应过程中较高的*CO中间体覆盖度会提升C2+产物的选择性,而较低的*CO覆盖度则会导致较高的析氢反应(HER)。因此,如何实现在高*CO覆盖度条件下提升C1产物(甲烷)的选择性,成为该领域的发展瓶颈。近期,加拿大多伦多大学的Edward H. Sargent等研究人员报道了Ga掺杂的CuAl催化剂,在保持高*CO覆盖度条件下高选择性制备甲烷方面取得了重要研究进展,甲烷的法拉第效率可达53%,而HER降低至23%(图1)。该工作于2022年4月12日在线发表在Cell Press 旗下期刊Chem Catalysis上。
▲图1 掺杂CuAl催化剂的产物选择性、制备方法以及催化剂性能评估
▲图2 不同程度Ga掺杂对CuAl催化剂性能的影响
研究人员在CuAl催化剂中引入对*CO吸附能较小的金属元素X(Zn,Au和Ga),发现X掺杂的CuAl催化剂通过CO2RR制备甲烷的选择性整体提升(图1C),而Ga掺杂能更有效促进产物向甲烷转化。利用能量色散X-射线谱(EDX)成像研究发现,与Zn和Au掺杂相比,Ga能在催化剂中更均匀分布,这可能是导致其具有高甲烷选择性的主要因素。作者进一步利用在线拉曼光谱研究发现,催化剂可在表面*CO吸附中间体覆盖度较高的条件下仍具有较高的甲烷选择性。作者推断是由于Ga掺杂“打断”了C-C偶联,同时“推动”*CO质子化生成甲烷,并排除了催化剂多孔性和表面粗糙度对不同碳氢产物选择性的影响。深入分析表明,由于Ga在掺杂催化剂中高度均一分布,增加了低配位Cu原子的数量,导致率先弱吸附到Ga上的*CO中间体可转移到临近的Cu原子上实现强吸附,进而增加了C-C偶联反应的能垒。研究者进一步对Ga掺杂进行了优化,发现Ga-掺杂比例高于7.2 wt%时会导致*CO解吸,*CO质子化反应受阻,甲烷的选择性开始下降。另外,在1.4 V电势附近中性电解质中(图2),Ga掺杂CuAl催化剂具有更高的甲烷选择性(53%),而HER的选择性低至23%。稳定性分析表明,Ga-掺杂CuAl催化剂可以稳定工作超过10小时,甲烷的法拉第效率仍然可高达45%(图3)。
▲图3 催化剂稳定性测试
简言之,研究人员通过简单的三步合成法,成功制备了高活性Ga-掺杂的CuAl催化剂(图1B),可在保持高*CO覆盖度条件下“打断”C-C偶联反应、抑制析氢反应(HER),提高甲烷产物选择性。该工作为如何平衡高浓度*CO吸附中间体与不同碳氢产物比例方面提供了新的研究思路。
论文摘要
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评述人简介
李晓娜
中国科学院化学研究所 研究员
中科院青年创新促进会会员
lxn@iccas.ac.cn
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相关论文信息
原文刊载于CellPress细胞出版社
旗下期刊 Chem Catalysis 上,
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