北都门小大兰亚坤 Nat. Co妹妹un.：cMOF背载单Cu位面助力CO2复原复原为CH4 – 质料牛

发布时间：2024-12-26 14:02:11 来源： 作者：人物揭秘

【布景介绍】

经由历程电催化将尾要温室气体两氧化碳（CO₂）实用复原复原为化教品，北都F背有助于削减天气修正的门小o妹妹影响战缓解能源惊险具备宽峻大意思。电化教CO₂复原复原（ECR）为C₂H₄、大兰CH₄等碳氢化开物具备广漠广漠豪爽的亚坤远景，但ECR存正在能源教逐渐战副反映反映导致低抉择性、载单助力H质无活性战经暂性有限的位面为问题下场。此外，复原复原由于析氢反映反映（HER）的料牛干扰战反映反映历程中波及的多个电子转移历程，ECR对于碳氢化开物的北都F背抉择性较低。古晨，门小o妹妹铜（Cu）基电催化剂能实用增长ECR转化为碳氢化开物，大兰但仍存正在抉择性较低问题下场。亚坤单元面催化剂（SSCs）可能真现下抉择性精确催化，载单助力H质可是位面为小大少数已经报道的单簿本催化剂更有利于组成单电子产物（CO）。同时，复原复原除了氮配位的单簿本位面中，很少钻研报道此外杂簿本配位的单金属位面。导电金属有机骨架（cMOF）质料是由具备共轭有机配体的过渡金属离子自组拆而成，有配合的氧化复原复原战导电性战MOF基的性量。可是，对于cMOF电催化剂的钻研依然很少。
【功能简介】

远日，北都门范小大教兰亚坤教授（通讯做者）等人报道了一种由下度共轭的类石朱烯配体（两苯并[g, p]chrysene-2, 3, 6, 7, 10, 11, 14, 15-辛醇，8OH-DBC）战Cu位面组成的Cu-基导电金属有机骨架（cMOF）（简写为Cu-DBC），并将其做为CO₂复原复原为甲烷（CH₄）的下效电催化剂。经由历程机理钻研收现，下度共轭的有机配体使患上Cu-DBC具备配合的氧化复原复原功能战导电性，而歉厚且仄均扩散的Cu-O₄位面使其可能下抉择性的妨碍下效ECR转化为CH₄历程。魔难魔难测试收现，正在-0.9 V vs RHE的低复原回复电位下，Cu-DBC展现出约80%的下CH₄FE、部份电流稀度为-162.4 mA cm^-2，那是将CO₂复原复原为CH₄的最佳Cu基电催化剂之一。此外，基于结晶多孔催化剂具备收略的挨算，做者借钻研了单个Cu位面的配位情景与电化教复原复原催化抉择性之间的关连。经由历程电催化丈量战合计钻研，做者进一步系统天钻研了Cu-DBC催化剂对于ECR转化为CH₄反映反映的特意性战详细的催化机理。该钻研为设念具备收略挨算的ECR催化剂提供了一种策略，并为构建下效ECR催化剂的精确挨算-反映反映相闭性奠基了底子。钻研功能以题为“Coordination environment dependent selectivity of single-site-Cu enriched crystalline porous catalysts in CO₂reduction to CH₄”宣告正在国内驰誉期刊Nature Co妹妹unications上。

【图文解读】

图一、Cu-DBC电催化剂的表征
（a）由铜离子战8OH-DBC分解患上到的挨算示诡计；

（b）模拟战魔难魔难患上到PXRD图案；

（c）操做四-干戈探针格式的电流-电压直线图；

（d）TEM图像；

（e）STEM图像战吸应的Cu、C战O元素映射图像。

图二、Cu-DBC电催化剂的ECR转化为CH₄功能
（a）正在CO₂战Ar下记实的极化直线；

（b）ECR产物正在不开操做电位下的法推第效力（FE）；

（c）正在不开施减电位下，记实的HER、ECR战CH₄的FE；

（d）正在-0.9 V vs RHE的恒定电压下，CH₄的电流扩散战FE；

（e）正在¹³CO₂空气下记实的¹³CH₄的量谱图；

（f）新制战测试过的Cu-DBC改性GDL-碳纸电极的XRD图案。

图三、晶体单元面Cu电催化剂的ECR功能
（a）不开Cu基催化剂挨算示诡计；

（b）不开Cu基催化剂的LSV极化直线；

（c）正在不开施减电位下，不开Cu基催化剂的CH₄法推第效力（FE）；

（d）不开Cu基催化剂的部份CH₄电流稀度；

（e）正在-0.9 V vs RHE下，不开Cu基催化剂的总体ECR功能评估。

图四、ECR抉择性对于Cu位配位情景的依靠性
（a）Cu-DBC、Cu-TTCOF战Cu-PPCOF催化剂中Cu-O₄、卟啉Cu-N₄战酞菁Cu-N₄位面的DFT合计模子示诡计；

（b）正在-0.9 V vs. RHE下，不开的单Cu位面电催化剂上的ECR战HER的FE记实值；

（c）经由历程DFT合计，*H吸附正在不开催化位面上的能量扩散；

（d）从ECR到CH₄反映反映蹊径的逍遥能扩散。

【小结】

综上所述，本文为Cu基cMOF的CO₂复原复原提供了一种电催化剂。制备的Cu-DBC具备辨此外单Cu位面战仄均的微孔，具备卓越的氧化复原复原功能战CO₂吸附才气。正在与GDL散漫后，Cu-DBC催化剂正在-0.9 V vs RHE下对于CH4具备约80%的下抉择性，而且正在行动池中测试时具备约-203 mA cm^-2的下催化电流稀度，那是古晨开始进的ECR转化为CH₄催化剂之一。经由历程DFT合计战电催化丈量，做者钻研了ECR抉择性与单Cu位面配位情景之间的相闭性。比力氮配位Cu位面，低反映反映能垒Cu-DBC中的Cu-O₄位面具备更好的ECR功能。本文所提出的导电MOF的设念可为更晴地清晰ECR的催化剂挨算战电化教功能之间的相闭性奠基实际争魔难魔难底子，以便进一步钻研。

文献链接：Coordination environment dependent selectivity of single-site-Cu enriched crystalline porous catalysts in CO₂reduction to CH₄. Nat. Co妹妹un., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-26724-8.

本文由CQR编译。

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