上硅所/复旦Nat. Catal.:Cu2NCN助力CO2电合成甲醇
在追求零排放的碳中和道路上,中国科学院上海硅酸盐研究所的黄富强研究员和王家成研究员,以及复旦大学的郑耿锋教授(通讯作者)联手,揭示了催化剂新星——亚铜氰胺(Cu2NCN)在Nature Catalysis(2022)上的一项突破性发现。他们发现这种独特的晶体结构中,Cu(I)离子与NCN2−的紧密共轭关系带来了高度离域化的电子,从而在电化学催化过程中展现出非凡的性能,尤其是对二氧化碳(CO2)转化为甲醇(CH3OH)的高效选择性和产率提升。
实验结果显示,Cu2NCN催化剂在电解质环境中展现出卓越的性能,其对CO2转化为CH3OH的选择性高达70%,并且在-92.3 mA/cm²的偏电流密度下,每平方厘米的甲醇生成速率达到了惊人的0.160 μmol/s。这种催化剂的优越性能得益于其对CO2还原反应路径的选择性优化。
通过深入的密度泛函理论(DFT)计算,研究人员对比了Cu2NCN(100)表面与Cu2O(100)表面处理CO2还原反应的选择性。在Cu2NCN上,*OH和*OCH3吸附时,O 2p的价带密度在反键轨道上显著移动,显示出Cu-O键的稳定性相对较低,有利于C1途径的发展。在C1途径中,两个*CO的耦合反应在Cu2NCN上比单个*CO的氢化反应能量更优,降低了生成C2产物的能量壁垒。
同时,DFT计算揭示了Cu2O(100)上C1途径的自由能优势,*CO耦合反应生成CH4的自由能高于CH3OH,表明Cu2NCN上的反应路径更加偏向于甲醇的生成。在Cu2NCN上,*CHO路径的能量比*COH路径低0.81 eV,表明*CHO途径的中间产物*CH2OH更有利于后续的甲醇形成。最后,通过Cu2NCN,CO2电合成甲醇的过程更加高效,其电子状态的离域化和Cu-O键的弱化作用共同驱动了这一选择性的优化。
这一发现不仅为CO2电解制甲醇开辟了新的可能性,而且为设计和优化未来绿色能源催化剂提供了重要的理论依据。通过Cu2NCN的卓越表现,我们看到了离域化电子在碳中和化学中的关键作用,为实现零排放的未来铺平了道路。Nature Catalysis的这篇论文,无疑为可持续化学领域增添了新的亮点。
上硅所\/复旦Nat. Catal.:Cu2NCN助力CO2电合成甲醇
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