我所发现二氧化碳电催化还原制甲酸双火山曲线

  近日,我所催化基础国家重点实验室理论催化创新特区研究组(05T8组)肖建平研究员团队与浙江大学侯阳教授、美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授合作,在二氧化碳电催化还原制甲酸的研究中取得新进展。

  在固体催化材料表面发生的化学反应都遵循Sabatier原理,即当催化剂的反应性太强时,反应受到脱附、扩散、耦合等基元步骤的影响,造成其活性较低;而当催化剂的反应性太弱时,反应物难以吸附,也难以解离活化,也会致使催化活性相对较低。因此,为达到催化反应的最优反应活性,唯一的方法就是选择一个适中的反应性。

  研究证明,二氧化碳电催化还原制备甲酸过程遵循甲酸根(HCOO*)反应机理,即二氧化碳先质子化得到甲酸根(HCOO*),甲酸根再质子化得到甲酸(HCOOH)。过去,科研人员普遍认为,二氧化碳先质子化得到羧基(COOH*)过程只会产生CO,而不会得到甲酸。但是,此次理论研究表明,从反应网络和能量最优算法分析,在低电压下大量的金属表面均是通过羧基(COOH*)过程得到甲酸,这解释了金属Pd上面二氧化碳电催化还原的特殊现象。该理论研究结果也与碱式碳酸铅表面的双火山曲线一致(Nat. Commun,2020)。

  本工作揭示了在具有反应复杂网络的情况下,由于反应路径的差异,传统的火山型曲线难以存在,取而代之的应该是多个顶点共存的火山型曲线。

  相关成果发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。该工作得到了国家自然科学基金、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”和辽宁省“兴辽英才计划”等项目的支持。(文/图 董雪)

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