《中国科学技术大学报道铜表面原子级分散铈调控界面水结构实现高效CO电还原制乙酸》

  • 来源专题:关键原材料知识服务平台
  • 编译者: 费鹏飞
  • 发布时间:2025-05-23
  • 3月21日,中国科学技术大学在《Nature Communications》上发表题为“Atomically dispersed cerium on copper tailors interfacial water structure for efficient CO-to-acetate electroreduction”的论文,报道通过铜表面原子级分散铈以调控界面水结构实现高效电还原CO制乙酸。

    利用可再生电能驱动一氧化碳(CO)电合成乙酸是获取高附加值碳基产物的有效途径,但其选择性常因析氢反应(HER)的竞争而受限。研究人员开发了一种铈单原子(Ce-SAs)修饰的晶态-非晶双相铜(Cu)催化剂。实验表明,Ce单原子可降低双相Cu的电子密度,减少界面K+离子水合水(K·H2O)的比例,从而降低催化剂表面H覆盖度;同时,双相Cu向Ce单原子的电子转移诱导Cu+物种生成,促进活性顶端吸附CO(COatop)的形成,显著提升COatop-COatop偶联动力学。上述协同效应促使反应优先通过乙烯酮中间体(*CH2-C=O)路径进行,并利用脉冲电解富集的OH-最终生成乙酸。采用该催化剂,在脉冲电解模式下实现了71.3±2.1%的乙酸法拉第效率及110.6±2.0

    mA·cm?2的时间平均乙酸电流密度。此外,基于该催化剂组装的流动池反应器可稳定运行至少138小时,乙酸选择性始终高于60%。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41467-025-58109-6
相关报告
  • 《中国科学技术大学报道Pt/CeO2团簇催化剂的热触发氧化还原动态平衡与原位原子再分散特性》

    • 来源专题:关键原材料知识服务平台
    • 编译者:费鹏飞
    • 发布时间:2025-06-23
    • 5月28日,中国科学技术大学在《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Thermally triggered redox flexibility of Pt/CeO2 cluster catalyst against in-situ atomic redispersion”的论文,报道了Pt/CeO2团簇催化剂的热触发氧化还原动态平衡与原位原子再分散特性。 对于负载型催化剂而言,金属位点从团聚态向单原子的再分散过程受反应物诱导的金属-载体相互作用调控,但这一过程可能损害催化剂本征活性。 研究人员发现,在CO催化氧化反应中,CeO2负载的Pt团簇会自发再分散为Pt单原子,该过程由Pt-CeO2界面相互作用驱动,其中表面羟基作为关键稳定剂。这种结构演变伴随着催化剂失活,导致催化性能下降。在明确区分PtOx团簇与Pt单原子的基础上,研究人员提出了一种热老化策略来抑制Pt团簇的再分散。800℃高温煅烧可显著消除Pt/CeO2表面羟基,从而去除Pt再分散的锚定位点,有效保持Pt团簇结构。更重要的是,该处理触发了Ce3+/Ce4+氧化还原循环,使界面Ce3+位点能够高效活化O2分子。结合Pt团簇相较于单原子更强的CO吸附能力,这种价态变化的氧化还原灵活性使催化剂展现出卓越的CO氧化活性。
  • 《基于电子转移调控的高效单原子光催化CO2还原》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-05-29
    •  利用太阳能将CO2转化为高附加值的化学燃料,不仅是发展可再生能源的新途径,而且可以通过碳循环来缓解温室效应。一个典型的光催化CO2转化系统包括两个关键部分—吸光单元和催化中心。在设计光催化CO2转化系统时,可以独立地研究优化吸光单元和催化中心,以提高吸光单元的太阳能捕获能力和催化中心的活性及选择性,进而实现两者的系统集成。在众多光催化系统中,吸光单元和催化中心之间的电子转移效率通常是最终光催化效率的瓶颈。两者之间的电荷动力学过程,实际上扮演着光生电荷利用的桥梁作用。   用于CO2转化的光催化剂通常可以分为两类—均相催化剂和异相催化剂,由于构成形式和作用机制的不同表现出各自的优缺点。将两者各自的优点结合起来是光催化可持续发展的一条理想途径。单原子异相催化剂的发展为两者优点的结合带来了希望。单原子异相催化剂将一些单个独立的原子分散在载体上,用作催化中心。从配位化学的角度来看,载体起到了类似于刚性配体的作用。相比于纳米团簇、纳米颗粒和块体材料,单原子异相催化剂具有配位未饱和、电子结构独特、原子利用率最大化、催化位点明确等优点,有望突破传统CO2转化光催化剂的局限性。然而,如何调控光生电荷转移动力学,仍然是一个重要的科学问题。该问题制约了吸光单元和单原子催化位点之间的光生电荷转移效率,决定了光催化CO2转化的性能。     中国科学技术大学熊宇杰课题组针对吸光单元与单原子催化中心之间的鸿沟,采用还原氧化石墨烯为桥梁,促进了吸光单元向单原子催化中心的光生电子转移过程,实现了光催化CO2的高转化数(TON)。在该工作中,研究者选用具有优异光吸收性能的均相光敏剂[Ru(bpy)3]Cl2作为吸光单元,同时在还原氧化石墨烯上通过配位方式构筑了单原子Co催化中心,形成了高效光催化CO2还原体系。国家同步辐射实验室宋礼教授课题组利用X射线吸收谱,详细表征出了还原氧化石墨烯上的单原子Co配位结构。在该体系中,还原氧化石墨烯起到双重作用。一方面,还原氧化石墨烯表面具有残余的C/O官能团,可以作为配体稳固地锚定Co单原子催化中心。Co单原子与载体间的强相互作用可以改变Co单原子的电荷状态,从而影响活化CO2分子的能力。另一方面,还原氧化石墨烯具有大比表面积和优异导电能力,有助于光生电子通过π?π界面相互作用从吸光单元向催化中心进行转移,从而调控整个光催化体系的效率。基于该设计,通过调节[Ru(bpy)3]Cl2吸光单元和单原子Co催化中心的比例,光催化CO2还原的最大转化数TON可以达到678,转化频率TOF为3.77 min?1,优于目前的异相光催化剂水平。   该工作为从光催化CO2转化催化位点的单原子设计提供了新的思路,同时突出了电荷动力学在衔接均相和异相光催化剂方面的重要作用。相关工作以“Heterogeneous Single-Atom Catalyst for Visible-Light-Driven High-Turnover CO2 Reduction: The Role of Electron Transfer”为题,发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201704624)上,第一作者为高超博士和陈双明博士。