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Nature: 有机分子助攻,高选择性CO2RR制取乙烯2021-01-11

电催化CO2还原被认为是最具有应用前景的CO2转化技术之一。该工艺过程相对简单、无污染,而且所需的电能可以直接从太阳能、风能等可再生能源中转化获取,能够实现真正意义上的碳循环利用。从CO2RR高选择性地制备理想的C2产品(例如乙烯)仍然是研究热点及难点。

如何通过设计和调控材料的组成、结构与表界面来提升反应效率和选择性是电催化CO2还原亟需解决的关键科学问题。
成果简介

近日,多伦多大学的Edward H. Sargent教授团队报道了一种分子调控策略,通过用有机分子对电催化剂表面进行修饰,从而稳定反应中间体,以提高CO2RR转化为乙烯的选择性。芳基取代联吡啶及其衍生物对Cu催化剂进行修饰后可明显提高乙烯的选择性。该类分子改善了顶部结合的CO中间体的稳定性,从而有利于进一步还原为乙烯。

研究表明,乙烯选择性与Cu-x表面上CO吸附形态(顶部结合COatop与桥接CObridge)的比率之间呈火山型关系(图2a)。这与有机分子电子给体的供电子能力有关(图1c),正是由于联吡啶的给电子能力差异引起的。这一发现表明,顶部结合COatop比桥接CObridge更有利于*CO中间体的稳定。

为进一步揭示CO键合过程中活性位点与吸附形态的关系,通过DFT计算不同吸附中间态的反应能垒。结果表明,COatop与CObridge两种键合方式同时存在时,反应能垒最低(0.72 eV)。

该成果以“Molecular tuning of CO2-to-ethylene conversion ”为题于2019年11月20日在线发表于国际期刊Nature。

图文导读

图1 乙烯选择性与有机分子修饰剂电荷分布的关系

图2 CO中间体稳定性及反应机理研究

图3 CO2RR催化活性及稳定性

图4 CO2RR制取乙烯反应的稳定性测试

文献信息
Molecular tuning of CO2-to-ethylene conversion
(Nature,2019,DOI: 0.1038/s41586-019-1782-2)
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1782-2