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上硅所/復(fù)旦?Nat. Catal.:Cu2NCN助力CO2電合成甲醇

上硅所/復(fù)旦?Nat. Catal.:Cu2NCN助力CO2電合成甲醇
CO2電解制甲醇是一種潛在的接近零排放的碳中和途徑,但以往對含水電解質(zhì)的研究僅實(shí)現(xiàn)了較差的甲醇選擇性和產(chǎn)率?;诖?,中科院上海硅酸鹽研究所黃富強(qiáng)研究員和王家成研究員、復(fù)旦大學(xué)鄭耿鋒教授(供體通訊作者)等人報(bào)道了一種亞銅氰胺(Cu2NCN)晶體,其中孤立Cu(I)離子與NCN2?強(qiáng)烈共軛而具有高度離域電子,用于電化學(xué)催化CO2合成甲醇(CH3OH)。實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn),Cu2NCN催化劑對CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的選擇性最高達(dá)70%,在水電解質(zhì)中的偏電流密度為-92.3 mA cm-2,對應(yīng)的CH3OH生成速率為0.160 μmol s-1 cm-2。
上硅所/復(fù)旦?Nat. Catal.:Cu2NCN助力CO2電合成甲醇
通過DFT計(jì)算,作者研究了Cu2NCN(100)上與Cu2O(100)上CO2RR的選擇性。在Cu2NCN上吸附*OH和*OCH3時(shí),O 2p的PDOS曲線在反鍵軌道上有明顯的峰移,表明Cu-O鍵的穩(wěn)定性低于Cu2O上。在Cu2NCN(100)上耦合兩個(gè)*CO生成C2產(chǎn)物的上坡路能量計(jì)算為0.66 eV,比單個(gè)*CO加氫(兩個(gè)吸附*CO的1/2)多0.16 eV,表明在Cu2NCN(100)上C1途徑能量更有利。
此外,Cu2O(100)上*CO耦合的自由能也大于C1途徑的自由能(即1.88 vs 1.44 eV),表明C1途徑是首選。在C1途徑中,*CO加氫可生成*COH或*CHO兩個(gè)中間產(chǎn)物。
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在Cu2NCN(100)上,計(jì)算出*CHO的能量比*COH低0.81 eV,表明包含*CH2OH的*COH途徑不如*CHO途徑有利。隨后的加氫反應(yīng)生成*OCH2,然后到達(dá)Cu-*O-CH3的臨界分岔點(diǎn),CH3OH優(yōu)先于CH4形成。在Cu2O(100)上,生成CH4的能量比生成CH3OH的能量高出1.74 eV。DFT計(jì)算結(jié)果表明,Cu2NCN上的CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH途徑是有利的,歸因于Cu電子態(tài)的離域化和Cu-O相互作用的減少。
上硅所/復(fù)旦?Nat. Catal.:Cu2NCN助力CO2電合成甲醇
Delocalization state-induced selective bond breaking for efficient methanol electrosynthesis from CO2. Nat. Catal., 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00887-z.
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00887-z.

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