张黎明课题组:外延金-铜单晶界面在串联电催化CO2制备多碳醇中的动态重构

minghong

电化学二氧化碳还原（CO2R）有望以可再生电力能源将CO2转化为有价值的燃料，维持碳平衡，因而备受关注。高经济附加值的C2+化合物（如乙烯、乙醇、正丙醇等）在化工产业和国民经济占有重要的地位。在众多催化剂中，金属铜（Cu）基化合物是目前主要能够进行碳碳耦合产C2+燃料的催化剂。然而，单质Cu表面上C-C耦合需要较高的过电位，且在大多数情况下选择性和产率较差，阻碍了其实际应用。设计双金属串联催化剂调控关键中间体在Cu表面的结合能，是提高C2+产物选择性的有效手段。在该体系中，CO2R过程可以拆分成两个连续的步骤，即先在高选择性的催化剂（如Ag、Au等）将CO2还原为CO，随后在Cu上进行C-C耦合成C2+产物。迄今为止，Cu基双金属的研究大多从理论的角度理解了活性位点及反应机制，缺乏对在CO2R过程中真实活性位点的研究，特别在金属结构动力学不稳定的前提下。

图：Au-Cu双金属在CO2R过程中结构重组高分辨TEM表征图及Cu(0)氧化还原驱动机制示意图。

        鉴于此，复旦大学张黎明课题组以外延Au-Cu异质结构作为模型结构研究了双金属电催化剂在CO2R过程中的重构/相变。电化学测试表明结果显示，相比于单质Cu，外延Au-Cu有效提高了C2+醇的产率和过电位，抑制了碳氢化合物的产生。原子尺度表征表明，在CO2R反应后，初始相分离的Au-Cu界面在Cu(0)氧化还原作用驱使下转变为独特的AuCu合金支撑的外延Au@Cu核壳纳米团簇结构。结合原位傅里叶变换红外光谱、有限元模拟和密度泛函理论(DFT)计算，研究结果证实原位形成的AuCu合金及Cu纳米壳分别为CO2至CO和CO至C2+醇的活性位点，且*CO的局域富集是C2+醇稳定生产的关键。这项工作填补了CO2R双金属界面动态重构的研究空白，并建立了一个从原子尺度理解串联催化CO2至C2+醇的范例。
        上述研究成果以“Dynamic restructuring of epitaxial Au-Cu biphasic interface for tandem CO2-to-C2+ alcohols conversion ”为题在线发表于期刊Chem上。复旦大学化学系张黎明青年研究员、华东理工大学戴升教授和北京大学刘开辉教授为共同通讯作者，复旦大学为第一完成单位。该项研究得到国家自然科学基金、上海市科委、国家重点研发计划等项目的大力支持。
       全文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 22004296?via%3Dihub


         文章来源：复旦大学
       张黎明，1985年7月生，夏津人，复旦大学化学系研究员、博士生导师。 2012年于北京大学获得理学博士学位，随后赴美先后在加州大学伯克利分校和斯坦福大学进行博士后阶段的研究，2017年9月起任复旦大学化学系研究员，博士生导师。在二维纳米材料的可控生长与表面修饰、太阳能光电转化、光催化水分解及二氧化碳还原等领域开展了一系列原创性工作。博士与博士后阶段在顶级国际学术期刊上发表论文20余篇,授权专利2项。