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金属氧化物的锂电化学调控,提高CO2还原反应选择性

利用电化学进行水相中的二氧化碳催化氢化,反应条件温和可控,且能得到更高附加值的工业产品,如一氧化乙醇和烷烃类产物,从而实现对可再生能源的高效转化和存储,因而在近年来受到全球的广泛关注。金属氧化物在二氧化碳电催化中常用作催化剂的前躯体,当施加负电位时,氧化物逐渐还原成金属态,成为CO2氢化的活性位点;如何可控地选择还原条件来调控表面活性位点的分布,在水相中抑制水分解析氢反应、提高二氧化碳氢化的选择性都成为目前相关研究的瓶颈。对此,哈佛大学汪淏田点击查看介绍研究团队通过借鉴锂电池的充放电过程来调控还原态金属表面的晶界分布,最终得到高选择性的CO2氢化催化剂


锂离子电池的循环充放电过程中,Li+离子在正极的金属氧化物中反复嵌入和脱出,使大块的氧化物逐渐碎裂成小块的晶粒。有限的循环次数内,这些小晶粒间通过晶界互相结合在一起,从而暴露出大量的表面缺陷位点及不同的张力效应。


据此,汪淏田团队以氧化锌作为正极材料装入软包锂电池中,通过可控的充放电次数来调控还原后金属锌的表面状态;相比于传统的电化学还原条件,由锂电池过程调控还原后的锌催化剂对CO2的还原反应选择性提升了5倍,CO单一产物的法拉第效率达到91.1%,并表现出优异的稳定性。


结合复旦大学蔡文斌团队的电化学原位红外光谱技术,作者进一步对锌表面催化CO2还原的反应机理和中间体物种进行了探究,表面吸附的碳酰物种最可能是CO析出的活性中间体。


该工作首次报道了通过锂离子电池调控的CO2 电还原催化剂,近期发表在ACS Nano 上,金属氧化物在其他异相催化反应中的广泛应用,该方法为其他高效催化剂的设计制备提供了新的思路和借鉴。文章第一作者是哈佛大学的博士后蒋昆


该论文作者为:Kun Jiang, Han Wang, Wen-Bin Cai and Haotian Wang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Li Electrochemical Tuning of Metal Oxide for Highly Selective CO2 Reduction

ACS Nano, 2017, 11, 6451–6458, DOI: 10.1021/acsnano.7b03029


汪淏田博士简介


汪淏田,哈佛大学项目负责人(PI),2011年本科毕业于中国科技大学物理系,2016年于斯坦福大学应用物理系取得博士学位,师从斯坦福大学崔屹教授,2016年起就职于哈佛大学。汪淏田课题组着眼于电化学催化、储能对新能源领域的推动和发展。该课题组利用纳米调控尖端技术和对催化机理的深入研究,致力于研制高效、高选择性、廉价、稳定的催化剂,以实现大规模水分解制氢、高选择性CO2还原、高效燃料电池等重要催化反应的应用,在相关领域发表论文近40篇,包括以第一作者或通讯作者发表的ScienceNat. Commun.ACS Nano 等。一系列成果分别在斯坦福大学和哈佛大学获得专利授权,并得到斯坦福大学网站主页、Daily Mail、《科技日报》等媒体的专题报道。


汪淏田

http://www.x-mol.com/university/faculty/44785

课题组主页

http://www.rowland.harvard.edu/rjf/hwang/


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