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美國麥克儀器助雜化二維超薄結(jié)構(gòu)電催化還原CO2研究取得重要進(jìn)展

美國麥克儀器 2016-03-29 | 閱讀：1660

近日，中國科技大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室謝毅教授和孫永福特任教授課題組在雜化二維超薄結(jié)構(gòu)的合成及應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該課題組設(shè)計了一種雜化模型體系用來研究金屬表面氧化物對其自身金屬電催化性能的影響，該結(jié)果以“Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxide electroreduction to liquid fuel” 為題發(fā)表在Nature上(2016, 529, 68-72, DOI 10.1038/nature16455)。

　　通過電催化過程將CO₂還原成碳?xì)淙剂戏肿硬粌H有助于降低CO₂的負(fù)面影響，而且還可以獲得甲烷、甲酸、甲醇等燃料。然而，電還原CO₂過程的一個瓶頸是如何將高穩(wěn)定性的CO₂活化，這往往需要非常高的過電位；而過電位的存在不僅浪費大量的能源，還往往導(dǎo)致還原產(chǎn)物選擇性的降低。

　　已有報道顯示金屬電極通常具有較高的電還原CO₂活性，尤為有趣的是通過金屬氧化物還原得到的金屬比通過其它方法制備的金屬催化活性要高，甚至能將CO₂的還原電位降低到熱力學(xué)的最小值。但是金屬表面氧化物對其自身金屬電還原性能的影響機制還不清楚，這主要是因為以前制備的催化劑中含有大量的微結(jié)構(gòu)如界面、缺陷等，這些微結(jié)構(gòu)的存在很容易掩蓋住表面金屬氧化物對其自身金屬催化性能的影響。

　　為了揭示金屬表面氧化物對其自身金屬電還原CO₂性能的影響，謝毅教授、孫永福特任教授課題組構(gòu)建了一種雜化模型材料體系, 即數(shù)原子層厚的金屬/金屬氧化物雜化超薄結(jié)構(gòu)。以六方相Co為例，他們通過配體局限生長的方法制備了4原子層厚的Co/Co氧化物雜化結(jié)構(gòu)。電化學(xué)比表面積矯正的Tafel斜率和法拉第轉(zhuǎn)換效率結(jié)果揭示出局限在超薄結(jié)構(gòu)中的表面Co原子比塊材中的表面Co原子在低的過電位下具有更高的本征催化活性和更高的產(chǎn)物選擇性，Co原子層的部分氧化進(jìn)一步增加了其本征催化活性，進(jìn)而在只有0.24 V的過電位下于40 h內(nèi)獲得10 mA cm^-2的穩(wěn)定電流和90%的甲酸選擇性。本工作展示了金屬原子在位于特定的排列方法和氧化價態(tài)時，可能具有更高的催化轉(zhuǎn)化活性，即超薄二維結(jié)構(gòu)和金屬氧化物的存在提高了催化還原CO₂的能力。該工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩(wěn)定的CO₂電還原催化劑，也對推動電催化還原CO₂機理研究具有重要的意義。

文中催化劑的CO₂吸附性質(zhì)是通過美國麥克儀器公司的經(jīng)典儀器ASAP 2020獲得，通過對比四種催化位點下催化劑的CO2吸附性能，有力的佐證了文中論點。