【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學技術(shù)大學曾杰教授團隊聯(lián)合悉尼大學李逢旺教授團隊，在強酸性條件下二氧化碳電還原研究中取得重要進展。研究人員通過在鉍催化劑表面固定含氮唑類有機分子層，實現(xiàn)了對界面氫源類型的動態(tài)調(diào)控，顯著提高了強酸環(huán)境中二氧化碳還原制甲酸的選擇性。相關(guān)成果以“Immobilized Azole Layer Tunes Interfacial Hydrogen Source for CO2Electroreduction in Strong Acid”為題，8月27日發(fā)表于《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　實現(xiàn)強酸條件下二氧化碳電還原反應的高選擇性，是解決“碳酸鹽形成”問題的關(guān)鍵途徑，但其面臨析氫反應的激烈競爭。氫源類型(氫離子或水分子)對反應路徑的影響機制尚不明確。在本研究中，研究人員設(shè)計了一種固定在鉍催化劑表面的功能化三氮唑修飾層，可在pH = 0.4的強酸環(huán)境中根據(jù)電位變化動態(tài)調(diào)節(jié)界面氫源。在–300毫安每平方厘米、pH = 0.4的條件下，鉍-三氮唑催化劑的甲酸法拉第效率達到36%，遠高于未修飾鉍催化劑的不足10%(圖1)。
 

圖1.強酸性環(huán)境下二氧化碳還原制甲酸的反應性能
 

　　實驗與模擬結(jié)果表明，有機分子層具有雙機制作用：在低電位、高局部氫離子濃度條件下，質(zhì)子化的有機層可作為質(zhì)子中繼并靜電排斥體相氫離子；在高電位、低局部氫離子濃度條件下，去質(zhì)子化的有機層破壞界面水氫鍵網(wǎng)絡(luò)，抑制格羅特斯型質(zhì)子傳輸，從而使氫源由氫離子轉(zhuǎn)向水分子，顯著抑制析氫反應(圖2)。該項研究通過動態(tài)響應的功能有機分子層實現(xiàn)了對氫源類型的主動調(diào)控，深化了對強酸環(huán)境中二氧化碳電還原界面過程的理解，為在苛刻酸性環(huán)境中提升二氧化碳還原選擇性提供了一種新思路。
 

圖2.反應機理研究
 

　　該項研究受到科技部、國家自然科學基金委、中國科學院等項目資助。曾杰、李逢旺為該論文的共同通訊作者，中國科學技術(shù)大學博士生石耀輝和悉尼大學博士后楊雨為共同第一作者。