现代工学院钟苗课题组在电催化还原CO2研究中取得新进展

发布者:袁敏敏发布时间:2020-05-18

近日,现代工学院钟苗课题组与多伦多大学Edward Sargent教授、卡耐基梅隆大学Zachary Ulissi教授团队合作,通过理论计算、实验测试与原位表征相结合的方式,首次开发纳米多孔Cu-Al合金催化剂材料,实现高效率和大产率的电催化还原二氧化碳(CO2)产乙烯(C2H4),该成果以“Accelerated Discovery of CO2 Electrocatalysts using Active Machine Learning”为题发表于Nature杂志Nature581, 178–183 (2020))。

在当前全球能源需求迅速上升和环境问题日益严重的背景下,开发清洁能源转化与存储技术尤为重要。通过电催化手段,更可以利用丰富的可再生电能直接还原工业和日常生活中的废气CO2 来制造高附加值的燃料或化学品,具有重要的科学意义和应用前景。在电催化CO2资源化过程中,高能量转换效率、大反应产率(大电流密度)及长稳定性是重要的技术指标。更为关键的是,电催化还原CO2一般涉及多电子转移步骤和多步上坡反应,副产物较多,因此厘清催化材料与反应步骤间构效关系,实现对单一重要产物的高选择性是实现反应可控的关键。

在此项工作中,研究人员构建了机器学习与传统密度泛函理论计算(DFT)互相反馈的筛选框架,大数据量的枚举了16000 种以上不同金属或合金表面在不同原子排布条件下,对CO2 还原到多碳产物的关键中间体*CO 的表面吸附能,发现含铝4-20%的铜铝合金的多个低密勒指数面对含碳关键中间体*CO和反应要素*H都具有接近最优的吸附能,大幅降低了CO2活化加氢、C-C偶联、C-H成键等步骤的反应能垒,有效促进多碳产物乙烯的生成。

研究人员通过物理沉积加去合金化的新方法,在气体扩散电极上大面积制备了纳米多孔Cu-Al催化剂并调控其表面组分含量,实现了600 mA cm-2的超高电流密度下,CO2 C2H4 80%的法拉第效率;通过改进电极结构,在保持150 mA cm-2的高电流密度下,实现了CO2 C2H4 82%的法拉第效率和55%的阴极电能到化学能的能量转化效率。上述结果分别是当前电催化还原CO2 C2H4 电流密度、法拉第效率和能量转化效率的纪录值。该工作为更深入理解CO2 还原的核心物理化学过程及提高电催化还原CO2 到关键多碳产物的性能以推动电催化CO2还原技术走向实际应用提供了经验。

在此项工作中,多伦多大学、南京大学和卡内基梅隆大学分别为第一、二、三工作单位。该工作也得到了国家海外高层次人才项目、国家自然科学基金委、江苏省基金委、南京大学项目的资助,以及南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持。


.a)新型纳米多孔Cu-Al 合金催化剂反应示意图。(b600 mA cm-2,达到80%C2H4法拉第效率。(c)电极结构、反应环境与测试条件的优化实现高电流密度和高阴极能量转换率。(d) 机器学习与DFT 算法相结合,计算CO2 还原中不同金属及表面对反应关键中间体*CO 和重要反应物*H 的吸附能与CO2 还原产C2H4 的反应活性(左)和选择性(右)的二维火山图。(e) 电催化CO2还原反应中间体在Cu 12%Al 掺杂的Cu111)表面,及Cu 4%Al 掺杂的Cu(100)表面的能垒图。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2242-8


(钟苗课题组 供稿)