我所实现串联催化二氧化碳电化学还原制甲烷

  近日,我所催化基础国家重点实验室汪国雄研究员与包信和院士团队在二氧化碳电催化还原研究方面取得新进展。该团队实现了非铜基催化剂上串联催化二氧化碳电化学还原制甲烷,为二氧化碳电催化还原制碳氢化合物提供了新策略。

  利用可再生清洁电能将二氧化碳和水电化学转化为燃料和化学品,是一种能同时实现碳循环利用和可再生能源存储的有效途径。将二氧化碳直接电化学转化为碳氢化合物涉及到多电子还原反应过程,存在转化路径复杂、选择性难以调控等科学问题。目前研究主要集中在铜基催化剂,但铜基催化剂中一价铜活性中心易在反应条件下被还原而失活。非铜催化剂仅有少量报道,发展非铜催化剂电催化还原二氧化碳制碳氢化合物是一个值得探索的研究课题。

  本工作中,研究人员报道了一种酞菁钴(CoPc)和锌—氮—碳(Zn-N-C)串联催化剂,能有效地将二氧化碳电化学还原为甲烷。与单独酞菁钴或锌—氮—碳相比,这种串联催化剂的甲烷和一氧化碳的生成速率比提高了100倍以上。密度泛函理论计算和对照实验结果表明,二氧化碳首先在酞菁钴上还原为一氧化碳,然后一氧化碳扩散到锌—氮—碳上进一步转化为甲烷。这种串联催化策略将二氧化碳转化制备甲烷的过程分解为在两种活性位点上进行的串联电催化反应,在该串联催化体系中,酞菁钴通过提供一氧化碳使锌—氮位点中邻位氮上的吸附氢得以保留,从而提高了甲烷的生成速率。

  相关工作发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会等项目的资助。(文/图 林龙、刘天夫)

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