二氧化碳转化成有用的化工材料

当今人类社会对化石燃料的过度使用导致大气中CO2含量急剧升高,温室效应日益明显。因此,降低大气中CO2的含量及有效地开发利用CO2具有重大研究意义。利用可再生能源产生的电能驱动CO2还原是实现化学品和燃料可持续生产的一种有效途径,也是一个学术竞争激烈的研究方向。

在CO2还原转化的过程中,电催化剂是制约能量转化效率以及原子经济性的关键。在众多CO2还原电催化剂中,分子类催化剂具有活性中心明确、结构调控容易的特点而被广泛研究。但是分子催化剂在催化性能上往往不如常用的贵金属催化剂,而且分子类催化剂大多只能实现CO2的两电子还原(如CO2还原成CO)。

二氧化碳电还原反应

近日,南方科技大学材料科学与工程系梁永晔课题组与耶鲁大学化学系王海梁课题组合作在电催化还原二氧化碳(CO2)的研究方面取得重要进展,研究成果以“分子催化剂通过多米诺途径实现二氧化碳至甲醇的电还原转化”(“Domino electroreduction of CO2 to methanol on a molecular catalyst”)为题在《自然》杂志(Nature)发表。

2012年加入南科大以来,梁永晔就选择了分子类电催化剂的研究方向开始组建研究团队,并与王海梁课题组展开紧密合作。研究团队发现,分子催化剂转化效率低下的关键原因在于分子导电能力弱以及分子的聚集效应。凭借团队内化学与材料学等多学科的交叉背景,经过数年的前期研究工作,团队发现将酞菁钴分子(CoPc)与碳纳米管(CNT)复合能使分子在CNT壁上分散,从而克服CoPc分子聚集以及不导电的问题,大大提高CO2还原成CO的电催化性能。

使用CoPc/CNT复合催化剂的还原反应模拟

此次发表的工作中,团队发现一种复合催化剂(CoPc/CNT)在更大的过电位下可以实现CO2还原获得甲醇的六电子还原反应。在中性电解液中和-0.94 V(相较于标准氢电极)的电位下,可以实现>40%的甲醇转化法拉第效率,相比此前的研究中普遍只能达到低于1%的转化效率。

由于在反应过程中甲醇的出现伴随着CO生成产率的降低,团队认为CO有可能是CO2到甲醇转化的中间产物。当反应体系中通入CO替代CO2时,团队发现CoPc/CNT的确可以高效的催化产生甲醇,在-0.83 V的电位下可以实现28%的甲醇转化效率。这证明了电催化二氧化碳至甲醇的反应遵循一个多米诺过程:CO2先进行两电子还原至CO,CO这一中间态再进行四电子还原生成甲醇。

参考:
Wu, Y., Jiang, Z., Lu, X. et al. Domino electroreduction of CO2 to methanol on a molecular catalyst. Nature 575, 639–642 (2019) doi:10.1038/s41586-019-1760-8

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