實(shí)現(xiàn)串聯(lián)催化二氧化碳電化學(xué)還原制甲烷

近日，中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員汪國(guó)雄與包信和院士團(tuán)隊(duì)在二氧化碳電催化還原研究方面取得新進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)了非銅基催化劑上串聯(lián)催化二氧化碳電化學(xué)還原制甲烷，為二氧化碳電催化還原制碳?xì)浠衔锾峁┝诵滤悸?。相關(guān)研究成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。

 

二氧化碳電催化還原利用清潔電能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料，被認(rèn)為是一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)利用和可再生能源存儲(chǔ)的有效途徑。將二氧化碳直接電化學(xué)轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锷婕暗蕉嚯娮舆€原反應(yīng)過程，存在轉(zhuǎn)化路徑復(fù)雜、選擇性難以調(diào)控等科學(xué)問題。目前研究主要集中在銅基催化劑,但銅基催化劑中一價(jià)銅活性中心易在反應(yīng)條件下被還原而失活。非銅催化劑僅有少量報(bào)道，發(fā)展非銅催化劑電催化還原二氧化碳制碳?xì)浠衔锸且粋€(gè)值得探索的研究課題。

 

汪國(guó)雄介紹，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種酞菁鈷和鋅—氮—碳串聯(lián)催化劑，能有效地將二氧化碳電化學(xué)還原為甲烷。與單獨(dú)酞菁鈷或鋅—氮—碳相比，這種串聯(lián)催化劑的甲烷和一氧化碳的生成速率比提高了100倍以上。

 

經(jīng)過密度泛函理論計(jì)算和對(duì)照實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，二氧化碳首先在酞菁鈷上還原為一氧化碳，然后一氧化碳擴(kuò)散到鋅—氮—碳上進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷。這種串聯(lián)催化新方法，將二氧化碳轉(zhuǎn)化制備甲烷的過程分解為在兩種活性位點(diǎn)上進(jìn)行的串聯(lián)電催化反應(yīng)。

 

在串聯(lián)催化體系中，酞菁鈷通過提供一氧化碳使鋅—氮位點(diǎn)中鄰位氮上的吸附氫得以保留，從而提高了甲烷的生成速率。