实现串联催化二氧化碳电化学还原制甲烷

近日，中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员汪国雄与包信和院士团队在二氧化碳电催化还原研究方面取得新进展。实现了非铜基催化剂上串联催化二氧化碳电化学还原制甲烷，为二氧化碳电催化还原制碳氢化合物提供了新思路。相关研究成果发表于《德国应用化学》。

 

二氧化碳电催化还原利用清洁电能将二氧化碳和水转化为化学品和燃料，被认为是一种能同时实现碳循环利用和可再生能源存储的有效途径。将二氧化碳直接电化学转化为碳氢化合物涉及到多电子还原反应过程，存在转化路径复杂、选择性难以调控等科学问题。目前研究主要集中在铜基催化剂,但铜基催化剂中一价铜活性中心易在反应条件下被还原而失活。非铜催化剂仅有少量报道，发展非铜催化剂电催化还原二氧化碳制碳氢化合物是一个值得探索的研究课题。

 

汪国雄介绍，团队研发了一种酞菁钴和锌—氮—碳串联催化剂，能有效地将二氧化碳电化学还原为甲烷。与单独酞菁钴或锌—氮—碳相比，这种串联催化剂的甲烷和一氧化碳的生成速率比提高了100倍以上。

 

经过密度泛函理论计算和对照实验，研究结果表明，二氧化碳首先在酞菁钴上还原为一氧化碳，然后一氧化碳扩散到锌—氮—碳上进一步转化为甲烷。这种串联催化新方法，将二氧化碳转化制备甲烷的过程分解为在两种活性位点上进行的串联电催化反应。

 

在串联催化体系中，酞菁钴通过提供一氧化碳使锌—氮位点中邻位氮上的吸附氢得以保留，从而提高了甲烷的生成速率。