基于表面應(yīng)力效應(yīng)調(diào)控Pd納米晶的CO2電催化還原性能

       近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的曾杰教授課題組與楊金龍教授課題組展開合作，在理解表面應(yīng)力效應(yīng)對CO2電催化還原反應(yīng)的調(diào)制方面取得重要進(jìn)展。研究人員設(shè)計合成了Pd單晶八面體納米晶和孿晶二十面體納米晶的準(zhǔn)模型催化體系，詳細(xì)闡述了Pd納米晶表面應(yīng)力與CO2電催化還原性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。該成果以“Understanding of Strain Effect in Electrochemical Reduction of CO2: Using Pd Nanostructures as an Ideal Platform”為題發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3594），論文的共同*作者是博士后黃宏文，研究生賈歡歡和博士生劉釗。

Pd納米晶及其CO2電催化還原性能

       目前，石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)化石能源的轉(zhuǎn)化過程導(dǎo)致了溫室氣體CO2的大量排放，加劇了氣候變暖現(xiàn)象。電催化還原CO2提供了一條將作為排放物的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧祷瘜W(xué)品的新途徑，不僅可以在一定程度上緩解溫室效應(yīng)，還可以緩和日益增長的能源訴求。簡單地說，電催化還原CO2過程是以可再生電能或富余核電作為能源，與電解水耦合從水中獲取氫，在比較溫和的反應(yīng)條件一步直接獲得一氧化碳、碳?xì)浠衔锖图状嫉雀咧祷瘜W(xué)品和液體燃料。但是，該項技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程還受限于缺乏的催化劑，而系統(tǒng)清楚地理解催化劑的構(gòu)效關(guān)系是設(shè)計催化劑的重要前提。

       一般來說，催化劑的表面應(yīng)力狀態(tài)能夠調(diào)制催化劑的電子結(jié)構(gòu)，將對催化性能產(chǎn)生重要影響。但是，由于難以將催化劑的應(yīng)力調(diào)控和電子結(jié)構(gòu)調(diào)控孤立開來，針對表面應(yīng)力結(jié)構(gòu)在CO2電催化還原過程中的調(diào)控機(jī)制目前并不清楚。面對這一挑戰(zhàn)，研究人員以Pd單晶八面體納米晶和孿晶二十面體納米晶作為準(zhǔn)模型體系，在保證兩者尺寸、表面晶面和表面包裹分子相同的情況下，研究了鈀納米晶表面應(yīng)力與二氧化碳電催化還原性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在-0.8 V（vs. RHE）時，Pd孿晶二十面體納米晶上生成一氧化碳的法拉第效率達(dá)到91.1%，遠(yuǎn)高于Pd單晶八面體納米晶（~50%）。通過分子動力學(xué)模擬、*性原理計算以及電化學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)表面拉伸應(yīng)力提升了Pd孿晶二十面體納米晶的d帶中心，從而增強了催化劑表面CO2的吸附和活化，顯著提高了CO2電催化還原活性和選擇性。該項結(jié)果詮釋了催化劑表面結(jié)構(gòu)與催化反應(yīng)活性間的對應(yīng)關(guān)系，對于設(shè)計CO2電還原催化劑提供了新的研究思路。

      該項研究得到了中科院前沿科學(xué)重點研究項目、國家重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項目的資助。

論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201612617/abstract