中國(guó)科大雜化二維超薄結(jié)構(gòu)電催化還原二氧化氮研究獲進(jìn)展

　　近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授謝毅、特任教授孫永福課題組在雜化二維超薄結(jié)構(gòu)的合成及應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該課題組設(shè)計(jì)了一種雜化模型體系用來(lái)研究金屬表面氧化物對(duì)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(guò)電催化過(guò)程將CO₂還原成碳?xì)淙剂戏肿硬粌H有助于降低CO₂的負(fù)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(guò)程的一個(gè)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(guò)電位；而過(guò)電位的存在不僅浪費(fèi)大量的能源，還往往導(dǎo)致還原產(chǎn)物選擇性的降低。

　　已有報(bào)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(guò)金屬氧化物還原得到的金屬比通過(guò)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(xué)的最小值。但是金屬表面氧化物對(duì)其自身金屬電還原性能的影響機(jī)制還不清楚，這主要是因?yàn)橐郧爸苽涞拇呋瘎┲泻写罅康奈⒔Y(jié)構(gòu)如界面、缺陷等，這些微結(jié)構(gòu)的存在很容易掩蓋住表面金屬氧化物對(duì)其自身金屬催化性能的影響。

　　為了揭示金屬表面氧化物對(duì)其自身金屬電還原CO₂性能的影響，研究人員構(gòu)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(jié)構(gòu)。以六方相Co為例，他們通過(guò)配體局限生長(zhǎng)的方法制備了4原子層厚的Co/Co氧化物雜化結(jié)構(gòu)。電化學(xué)比表面積矯正的Tafel斜率和法拉第轉(zhuǎn)換效率結(jié)果揭示出局限在超薄結(jié)構(gòu)中的表面Co原子，比塊材中的表面Co原子在低的過(guò)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(jìn)一步增加了其本征催化活性，進(jìn)而在只有0.24 V的過(guò)電位下于40 h內(nèi)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(jià)態(tài)時(shí)，可能具有更高的催化轉(zhuǎn)化活性，即超薄二維結(jié)構(gòu)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(duì)推動(dòng)電催化還原CO₂機(jī)理研究具有重要的意義。

　　謝毅課題組近年來(lái)一直從事低維固體的電聲輸運(yùn)行為調(diào)控與能量轉(zhuǎn)化應(yīng)用這一交叉領(lǐng)域研究，在無(wú)機(jī)二維超薄材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)與光、電催化性能的調(diào)控規(guī)律方面開(kāi)展深入研究，相關(guān)工作在國(guó)際重要刊物上發(fā)表了系列論文，是目前國(guó)際上在該領(lǐng)域持續(xù)活躍的幾個(gè)主要研究小組之一。由于在該領(lǐng)域的進(jìn)展，謝毅應(yīng)邀為Nature 雜志撰寫(xiě)了2015年的新年展望 (Nature 2015, 517, 16)，該展望闡述了交叉學(xué)科的重要性，強(qiáng)調(diào)了跨學(xué)科的研究對(duì)能源轉(zhuǎn)化研究的促進(jìn)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(xiàng)目培育基金等項(xiàng)目的資助。

中國(guó)科大雜化二維超薄結(jié)構(gòu)電催化還原二氧化氮研究獲進(jìn)展