张健等在硼咪唑基二维材料电催化还原二氧化碳制乙烯方面取得新进展

coco2017

电化学还原CO2制备高附加值的化学品对减少碳排放和缓解能源危机具有重要意义。在所有CO2还原的产物中，乙烯因为拥有高的体能量密度和广泛的应用而具有更高的经济价值。但是将CO2选择性转化为C2产物仍然是一个重大的挑战，因为C-C偶联过程的动力学非常缓慢。目前，铜基催化剂，包括金属铜、铜氧化物和含铜分子，已经被证明能够还原CO2生成C2/C2+碳氢化合物。但是，这些传统的铜基电催化剂通常对产物（一氧化碳、甲酸、甲烷、甲醇、乙烯、乙醇、1-丙醇）的选择性都较低。

图1. Ag@BIF-104NSs(Cu)纳米片电催化剂的合成过程示意图。

         具有明确Cu配位环境的铜基串联催化剂非常适合用于电化学CO2还原反应(CO2RR)，因为它们具有独特的几何电子特性并且有助于揭示结构-性能相关性。鉴于此，在国家重点研发计划、国家自然科学基金面上等项目的资助下，中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室张健课题组通过使用超薄硼咪唑(BIF)二维材料作为负载Ag纳米粒子的载体，合成了原子构型级的串联催化剂Ag@BIF-104NSs(Cu)。其中，BIF-104(Cu)纳米片的Cu位点上修饰了高度有序的羧基配体，Ag纳米颗粒通过配位效应接近Cu位点。电化学CO2RR测试表明Cu中心和Ag纳米颗粒之间的串联反应显著增强了电催化还原CO2制乙烯的活性和选择性。相比于单铜位点的BIF-104NSs(Cu)，法拉第效率FE(C2H4)从3.82%提高到21.43%，并且Ag@BIF-104NSs(Cu)串联催化剂在电催化反应过程中展示了更快的电子转移效率。密度泛函理论计算表明Ag@BIF-104NSs(Cu)催化剂中的Ag位点可以有效地将CO2还原*CO并在表面富集，随后这些*CO迁移到Cu位点。此后，Cu-Ag原子对利用表面富集的*CO发生C-C偶联并进一步促进了C2H4产物的产生。

图2. 结构明确的铜银原子对显著增强电催化还原CO2制乙烯选择性。

          该工作为开发高性能电化学CO2还原制备C2产物串联催化剂提供了新的思路；相关结果发表在国际期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials 2023, doi.org/10.1002/aenm.202300088），中国科学院福建物质结构研究所联合培养博士研究生邵苹、副研究员张海霞为该论文的共同第一作者，张健研究员为该论文的通讯作者。
          论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202300088.
           文章来源：福建物构所
       张健，1978年10月生，博士、中国科学院福建物质结构研究所研究员、课题组长。2001年7月在厦门大学化学系本科毕业并获学士学位。2001年9月至2006年7月硕博连读于中国科学院福建物质结构研究所，获博士学位（导师：姚元根研究员）。2006年10月至2009年9月在美国加州州立大学长滩分校化学与生物化学系和Prof. Xianhui Bu开展手性与微孔材料方面的博士后研究工作。2009年9月回到福建物质结构研究所工作，任结构基础研究室研究员，课题组长。已在系列国际知名期刊上发表SCI论文110多篇。在 J. Am. Chem. Soc.（3篇）, Angew. Chem. Int. Ed. （9篇）, Chem. Mater. （2篇）, Chem.Commun. （6篇）等影响因子大于5.0的期刊上发表过第一作者和通讯作者论文20篇。两篇论文曾作为期刊封面分别在Angew. Chem. Int. Ed.和Chem.Commun.进行了报道。另有两篇论文被选为Angew. Chem. Int. Ed.的Hot paper. 参与了国家973计划项目，承担了国家自然科学基金面上项目，结构化学国家重点实验室团队攻关项目等多项研究课题。