將CO2通過(guò)電化學(xué)方法轉(zhuǎn)化為高附加值的C2+產(chǎn)物如乙烯，不僅對(duì)于“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)具有積極推動(dòng)作用，并能減輕人類對(duì)化石燃料的過(guò)度依賴，然而，目前電催化CO2制乙烯受限于單一活性位點(diǎn)的多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程和緩慢的C-C耦合步驟，仍面臨活性低、選擇性差等問(wèn)題。
近日，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員曹榮、黃遠(yuǎn)標(biāo)設(shè)計(jì)出有效的串聯(lián)催化策略來(lái)提升還原CO2制乙烯的選擇性，通過(guò)將非貴金屬單原子Ni高效催化CO2RR產(chǎn)CO和Cu納米催化劑可以進(jìn)行CO-CO耦合的優(yōu)勢(shì)有效結(jié)合，進(jìn)行串聯(lián)催化來(lái)提升CO2RR制乙烯的選擇性。研究在卟啉基三嗪框架中心錨定Ni單原子(PTF-Ni)及其表面負(fù)載Cu納米顆粒，制備出非貴金屬基的串聯(lián)電催化劑PTF(Ni)/Cu，催化時(shí)單原子Ni高效將CO2還原為中間體CO，生成的CO立即被臨近的Cu納米催化劑進(jìn)行C-C耦合反應(yīng)高效轉(zhuǎn)化為乙烯。因此，與非串聯(lián)催化劑PTF/Cu (卟啉中心無(wú)金屬原子的三嗪框架)主要產(chǎn)甲烷相比，乙烯的法拉第效率提高了5倍 (-1.1V vs. RHE)，由9.6% 提高到57.3%，優(yōu)于目前已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的大多數(shù)電催化劑。此外，PTF(Ni)/Cu表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，連續(xù)電解11h后仍能保持約91%的初始活性。原位紅外實(shí)驗(yàn)、對(duì)比實(shí)驗(yàn)一氧化碳電還原和理論計(jì)算表明，PTF(Ni)有利于增加Cu納米顆粒表面的*CO活性中間體，進(jìn)而提升C-C耦合的概率，并且明顯降低了生產(chǎn)乙烯所需要的能量，因此實(shí)驗(yàn)通過(guò)串聯(lián)催化，提升了CO2轉(zhuǎn)換為乙烯的活性。該工作為進(jìn)一步提升電催化CO2產(chǎn)附加值高的多碳產(chǎn)物的選擇性提供了新策略。
此外，近年來(lái)該團(tuán)隊(duì)致力于設(shè)計(jì)多孔框架材料應(yīng)用于CO2催化轉(zhuǎn)化研究，取得了系列進(jìn)展（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17108; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20915; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23641; Sci. China Chem. 2021, 64，1332；ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005; ACS Materials Lett. 2021, 3, 454; Small 2021, 2004933; Small 2020, 2005254; CCS Chem. 2019, 1, 384; Appl. Catal. B: Environ. 2020, 271, 118929）。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上，并被選為Hot Paper。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員項(xiàng)目等的資助。
串聯(lián)電催化劑提升CO2RR制乙烯示意圖
（來(lái)源：福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所）