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近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)夏川教授團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授團(tuán)隊(duì)合作在二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化研究中取得新進(jìn)展，研發(fā)出鉛單原子合金化的銅基催化劑（Pb1Cu），實(shí)現(xiàn)了CO2高活性、高選擇性還原制備甲酸鹽，并探究了該過程的理論機(jī)理。
利用可再生能源進(jìn)行CO2電還原是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要手段之一。甲酸是一種能量載體，也可作為燃料電池的液體燃料，通過CO2電還原制備甲酸是其資源化利用的重要研究方向。研究中，夏川團(tuán)隊(duì)和曾杰團(tuán)隊(duì)通過制備鉛單原子合金化的銅基催化劑Pb1Cu，在實(shí)現(xiàn)CO2高效電還原制備甲酸鹽的同時(shí)，保證了該銅基催化劑的高選擇性和穩(wěn)定性。肖建平團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步確定了Pb1Cu的催化機(jī)理及活性位點(diǎn)，揭示了Pb1Cu的高催化活性和高選擇性的根本原因。
肖建平團(tuán)隊(duì)建立了“雙通道”二維反應(yīng)相圖，用于模擬CO2還原在不同催化劑表面的活性趨勢變化。研究發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)單一催化反應(yīng)通道所建立的活性趨勢，CO2電還原制備甲酸鹽過程中存在羧酸根（COOH*）機(jī)理和甲酸根（HCOO*）機(jī)理，形成催化反應(yīng)的“雙通道”。因此，CO2電還原制備甲酸鹽過程的活性趨勢體現(xiàn)了雙活性頂點(diǎn)的性質(zhì)。通過反應(yīng)相圖活性趨勢的研究，肖建平團(tuán)隊(duì)證明，CO2電還原制備甲酸鹽反應(yīng)中，Pb1Cu催化劑主要符合HCOO*機(jī)理，這說明更優(yōu)的HCOO*吸附能是Pb1Cu催化劑表現(xiàn)出高CO2電還原活性的原因。此外，銅位點(diǎn)也被驗(yàn)證是Pb1Cu催化CO2電還原制備甲酸鹽的活性位點(diǎn)。該研究為設(shè)計(jì)高活性和特定選擇性電催化材料提供了新思路。
CO2電還原制備甲酸鹽的雙頂點(diǎn)一維（a）、二維（b）“反應(yīng)相圖”?；陔p通道的理論和實(shí)驗(yàn)活性趨勢對(duì)比（c）。CO2電還原自由能變化圖用于研究Pb1Cu單原子合金選擇性（d）。
相關(guān)研究以“Copper-catalysed Exclusive CO2 to Pure Formic Acid Conversion via Single-atom Alloying”為題，于近日發(fā)表在《自然納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。該工作的第一作者是中科大博士后鄭婷婷，中科大博士研究生劉春曉，大連化物所助理研究員郭辰曦。上述工作得到中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金、國家自然基金委、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測量”等項(xiàng)目的支持。（文/圖 郭辰曦）
