近日，昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院林資源高效轉(zhuǎn)化與利用創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在CO2甲烷化研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Multiple Active Sites Engineering in Cu/γ-Al2O3 Catalyst Enables Selective Electrocatalytic CO2 Reduction to Methane at High Rates”為題發(fā)表在材料能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊Carbon Energy（IF=24.2）上。昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院為論文第一完成單位，我院2023級(jí)博士研究生曾祥棵為論文第一作者，陜紹云教授和姚凱利博士為論文共同通訊作者。
為應(yīng)對(duì)因二氧化碳濃度持續(xù)升高帶來(lái)的全球環(huán)境挑戰(zhàn)，利用可再生電力驅(qū)動(dòng)二氧化碳還原反應(yīng)，將其直接催化轉(zhuǎn)化為高附加值碳?xì)浠衔锱c燃料，已成為一項(xiàng)兼具科研前沿性與應(yīng)用潛力的碳中和解決方案。甲烷（CH4）因其極高的能量密度（55.5 MJ/kg）成為CO2還原的明星目標(biāo)產(chǎn)品。然而，其合成涉及復(fù)雜的多步質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移過(guò)程（每分子CH4需8H+/8e-），面臨高反應(yīng)速率下選擇性低的難題。CO2還原制備CH4需經(jīng)歷CO2活化（C=O鍵斷裂形成*CO），H2O解離（O-H鍵斷裂生成*H），以及*CO和*H耦合生成決速步*CHO中間體等多個(gè)關(guān)鍵步驟。因此，開發(fā)具有多位點(diǎn)協(xié)同催化結(jié)構(gòu)的催化劑，是突破復(fù)雜多步CO2RR性能瓶頸的核心。
據(jù)此，本研究創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種基于γ-Al2O3負(fù)載的Cu催化劑（標(biāo)記為Cu/γ-Al2O3），在500 mA cm?2工業(yè)級(jí)電流密度下獲得了優(yōu)異的CH4選擇性（法拉第效率FE=72%），同時(shí)穩(wěn)定性達(dá)55小時(shí)。顯微和光譜分析證實(shí)Cu催化劑（~1 nm）在γ-Al2O3表面原子級(jí)分散；原位光譜、電化學(xué)分析與DFT計(jì)算闡明該催化劑活性位點(diǎn)的協(xié)同作用機(jī)理：Cu作為CO2活化位點(diǎn)，γ-Al2O3擔(dān)當(dāng)H2O解離位點(diǎn)，而Cu與γ-Al2O3形成的界面位點(diǎn)則作為關(guān)鍵中間體*CHO的形成位點(diǎn)，通過(guò)多位點(diǎn)協(xié)同耦合效應(yīng)，顯著提升CO2甲烷化性能。本研究提出的這種“組合式位點(diǎn)工程”策略，為理解并設(shè)計(jì)用于復(fù)雜多步反應(yīng)的多位點(diǎn)協(xié)同催化體系提供了科學(xué)依據(jù)。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、云南省基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目、云南省興滇英才支持計(jì)劃產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才項(xiàng)目、云南省興滇英才支持計(jì)劃青年人才項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：http://doi.org/10.1002/cey2.70168
