以水為反應(yīng)介質(zhì)，將二氧化碳(CO2)電解還原為甲烷(CH4)是儲(chǔ)存間歇性可再生能源和解決全球能源和可持續(xù)性問題的最有希望效的途徑之一。然而，水在電解質(zhì)中的作用往往被忽視，特別是，緩慢的水解離動(dòng)力學(xué)限制了涉及多個(gè)電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的CO2甲烷化的選擇性和活性。
基于此，清華大學(xué)李亞棟和西安交通大學(xué)蘇亞瓊等報(bào)道了一種新型串聯(lián)催化劑，即Ir單原子(Ir1)摻雜的Cu3N/Cu2O多位點(diǎn)催化劑(Ir1-Cu3N/Cu2O)，可有效地將CO2轉(zhuǎn)化為CH4。.
在-1.3 VRHE時(shí)，Ir1-Cu3N/Cu2O多中心催化劑顯示出75%的高CH4 FE，相應(yīng)的部分電流密度為320 mA cm-2，優(yōu)于最近報(bào)道的CO2RR催化劑。與Cu3N相比，Ir1-Cu3N/Cu2O上的電荷轉(zhuǎn)移電阻要小得多，這表明從Ir1-Cu3N/Cu2O表面到反應(yīng)物的電子轉(zhuǎn)移速度更快；Ir1-Cu3N/Cu2O還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)在穩(wěn)定性測(cè)試前后未發(fā)生明顯變化。
研究人員提出了一種供質(zhì)子和多位點(diǎn)機(jī)制，其中吸附的*CO、*CHO和*CHOH物質(zhì)是關(guān)鍵的反應(yīng)中間體。在局部堿性介質(zhì)中，通過電子轉(zhuǎn)移將H2O活化為*H 物質(zhì)是一個(gè)緩慢的步驟，Ir1-Cu3N/Cu2O多位點(diǎn)催化劑中的Ir1位點(diǎn)在促進(jìn)H2O活化和隨后的*CO質(zhì)子化過程中起主要作用，這導(dǎo)致在多位點(diǎn)Ir1-Cu3N/Cu2O界面上快速形成*CHO，從而加速CO2RR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；Cu3N和Cu2O多位點(diǎn)的相互作用進(jìn)一步降低*CO加氫的能壘以增強(qiáng)CO2甲烷化?？偟膩碚f，這項(xiàng)工作為高效多位點(diǎn)催化系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供了一種有效的策略。
Engineering Water Molecules Activation Center on Multisite Electrocatalysts for Enhanced CO2 Methanation. Journal of the American Chemical Society, 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c03875
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