二氧化碳高效電催化還原研究取得進展

文/劉萬生 高敦峰 焦峰

4月13日，中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室高敦峰、汪國雄和包信和院士等研究人員與浙江工業大學王建國教授等合作，在二氧化碳高效電催化還原研究中取得進展，發現納米鈀電極高效催化二氧化碳還原生成一氧化碳，并且其催化性能與納米粒子尺寸有很強的依賴關系。相關結果發表在《美國化學會志》上。

近年來，全球二氧化碳排放量的逐年增加對人們賴以生存的生態環境造成了嚴重威脅，因此二氧化碳的捕獲、存儲以及轉化受到研究者的廣泛關注。在二氧化碳轉化方面，利用傳統化學方法還原二氧化碳需要同時提供能量和氫氣，而采用電催化方法還原二氧化碳，與電解水耦合從水中獲取氫，可以在比較溫和的反應條件一步直接獲得一氧化碳、碳氫化合物和甲醇等高值化學品和液體燃料。同時，該過程與可再生能源或富余核能利用相結合，實現大規模電能存儲，表現出極具潛力的應用前景，當前已成為相關領域一個重要的研究熱點。

Pd是典型的析氫反應催化劑，體相Pd電極上的CO2還原過電勢高、競爭性的析氫反應造成法拉第效率低。該團隊的實驗研究發現，在2.4～10.3 nm范圍內，Pd納米粒子的CO2還原選擇性和活性表現了明顯的尺寸依賴性。在-0.89 V (vs. RHE)時生成CO的法拉第效率從10.3 nm Pd上的5.8%增加到3.7 nm Pd上的91.2%，同時生成CO的電流密度增加了18.4倍。通過密度泛函理論(DFT)計算，分析了在三種不同反應位(平面、臺階和角位)上CO2還原和析氫反應的自由能，并建立了反應性能與粒度的關系。生成CO的轉換頻率(TOF)與粒徑呈現火山型曲線關系，這表明可以通過改變Pd納米粒子的尺寸來調變CO2吸附、中間物種COOH*的形成以及CO*的脫附等，從而實現Pd納米粒子從析氫催化劑到高效CO2還原催化劑的轉變。

該研究得到了國家自然科學基金委和科技部等相關項目的資助。