中國科大雜化二維超薄結構電催化還原二氧化氮研究獲進展

　　近日，中國科學技術大學教授謝毅、特任教授孫永福課題組在雜化二維超薄結構的合成及應用領域取得重要進展。該課題組設計了一種雜化模型體系用來研究金屬表面氧化物對其自身金屬電催化性能的影響，該研究成果發(fā)表在1月7日出版的Nature上(2016, 529, 68-72, DOI 10.1038/nature16455)。

　　通過電催化過程將CO₂還原成碳氫燃料分子不僅有助于降低CO₂的負面影響，而且還可以獲得甲烷、甲酸、甲醇等燃料。然而，電還原CO₂過程的一個瓶頸是如何將高穩(wěn)定性的CO₂活化，這往往需要非常高的過電位；而過電位的存在不僅浪費大量的能源，還往往導致還原產(chǎn)物選擇性的降低。

　　已有報道顯示金屬電極通常具有較高的電還原CO₂活性，尤為有趣的是通過金屬氧化物還原得到的金屬比通過其它方法制備的金屬催化活性要高，甚至能將CO₂的還原電位降低到熱力學的最小值。但是金屬表面氧化物對其自身金屬電還原性能的影響機制還不清楚，這主要是因為以前制備的催化劑中含有大量的微結構如界面、缺陷等，這些微結構的存在很容易掩蓋住表面金屬氧化物對其自身金屬催化性能的影響。

　　為了揭示金屬表面氧化物對其自身金屬電還原CO₂性能的影響，研究人員構建了一種雜化模型材料體系，即數(shù)原子層厚的金屬/金屬氧化物雜化超薄結構。以六方相Co為例，他們通過配體局限生長的方法制備了4原子層厚的Co/Co氧化物雜化結構。電化學比表面積矯正的Tafel斜率和法拉第轉換效率結果揭示出局限在超薄結構中的表面Co原子，比塊材中的表面Co原子在低的過電位下具有更高的本征催化活性和更高的產(chǎn)物選擇性，Co原子層的部分氧化進一步增加了其本征催化活性，進而在只有0.24 V的過電位下于40 h內獲得10 mA cm^-2的穩(wěn)定電流和90%的甲酸選擇性。

　　該研究工作展示了金屬原子在位于特定的排列方法和氧化價態(tài)時，可能具有更高的催化轉化活性，即超薄二維結構和金屬氧化物的存在提高了催化還原CO₂的能力。該工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩(wěn)定的CO₂電還原催化劑，也對推動電催化還原CO₂機理研究具有重要的意義。

　　謝毅課題組近年來一直從事低維固體的電聲輸運行為調控與能量轉化應用這一交叉領域研究，在無機二維超薄材料的精細結構、電子結構與光、電催化性能的調控規(guī)律方面開展深入研究，相關工作在國際重要刊物上發(fā)表了系列論文，是目前國際上在該領域持續(xù)活躍的幾個主要研究小組之一。由于在該領域的進展，謝毅應邀為Nature 雜志撰寫了2015年的新年展望 (Nature 2015, 517, 16)，該展望闡述了交叉學科的重要性，強調了跨學科的研究對能源轉化研究的促進作用。

　　該研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部和校重要方向項目培育基金等項目的資助。

中國科大雜化二維超薄結構電催化還原二氧化氮研究獲進展