實現(xiàn)串聯(lián)催化二氧化碳電化學還原制甲烷

近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室研究員汪國雄與包信和院士團隊在二氧化碳電催化還原研究方面取得新進展。實現(xiàn)了非銅基催化劑上串聯(lián)催化二氧化碳電化學還原制甲烷，為二氧化碳電催化還原制碳氫化合物提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學》。

 

二氧化碳電催化還原利用清潔電能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為化學品和燃料，被認為是一種能同時實現(xiàn)碳循環(huán)利用和可再生能源存儲的有效途徑。將二氧化碳直接電化學轉(zhuǎn)化為碳氫化合物涉及到多電子還原反應(yīng)過程，存在轉(zhuǎn)化路徑復雜、選擇性難以調(diào)控等科學問題。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道，發(fā)展非銅催化劑電催化還原二氧化碳制碳氫化合物是一個值得探索的研究課題。

 

汪國雄介紹，團隊研發(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還原為甲烷。與單獨酞菁鈷或鋅—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)過密度泛函理論計算和對照實驗，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，然后一氧化碳擴散到鋅—氮—碳上進一步轉(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上進行的串聯(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。