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中国科大揭示表面缺陷对CO2电还原的调控机制

(2018-05-17)

近日,中国科学技术大学化学与材料科学学院和合肥微尺度物质科学国家研究中心曾杰教授课题组和中国科学院大连化学物理研究所汪国雄研究员合作,通过调控氧化锌纳米片中的氧空位实现高效CO2还原制备CO。这种富氧空位的氧化锌纳米片在电催化还原CO2反应中表现出高活性和稳定性。该成果以“Oxygen Vacancies in ZnO Nanosheets Enhance CO2 Electrochemical Reduction into CO”为题,发表在《德国应用化学》杂志上 (Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 6054-6059),论文的共同第一作者是特任副研究员耿志刚、硕士研究生孔祥栋和博士研究生陈微微。

CO2是一种热稳定性很高的直线型分子。在标准情况下,CO2分子在水溶液中活化成CO2-阴离子所需的标准电极电势为相对标准氢-1.9 Vvs RHE。因此,促进CO2活化一直是CO2电催化还原反应中的研究难点。通常认为电子向CO2分子的高效转移是CO2活化的关键步骤。因此,可以构筑表面富含电子的催化剂从而实现CO2高效活化。

表面氧空位纳米片结构的电荷密度分布图及具有不同氧空位浓度的ZnO纳米片对CO2电催化还原产CO的法拉第效率

基于这样的理念,研究人员采用H2等离子体刻蚀的方法在二维薄层ZnO纳米片表面产生不同浓度的氧空位缺陷。利用表面氧空位缺陷导致的电子富集态高效活化CO2分子,从而增强CO2电催化还原反应活性。在CO2电催化还原反应中,具有高浓度表面氧空位缺陷的ZnO纳米片在-1.1 V vs RHE的电压下,将CO2高效还原成CO,其有效电流密度达到-16.1 mA/cm2,法拉第效率高达83%机理研究进一步表明,具有氧空位的二维薄层ZnO纳米片催化剂对CO2电催化还原反应性能的提升归结于其氧空位对CO2高效活化作用。该项工作通过调控氧空位来调控催化剂的电子结构,为设计高效催化剂提供了一种新思路。

该项研究得到了中科院前沿科学重点研究项目、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金等项目的资助。



全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201711255




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