登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《中南大学报道镧系单原子电催化CO2还原为CO》

  • 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27日，中南大学在《Nature Communications》上发表题为“Lanthanide single-atom catalysts for efficient CO2-to-CO electroreduction”的论文，报道了一种可将CO2高效电还原为CO的镧系单原子催化剂。

    单原子催化剂（SACs）因其100%的原子利用效率而受到广泛关注。利用SAC进行电化学CO2还原反应（CO2RR）生成CO的方法为CO2资源化利用提供了新途径，但传统SACs面临CO2吸附活化与CO脱附过程难以协同的挑战。

    研究人员突破传统单一活性位点设计思路，提出利用整个镧系元素组（Ln）协同促进CO2RR的创新策略。通过密度泛函理论计算、原位光谱技术和X射线吸收光谱解析，揭示了典型铒（Er）单原子催化剂的桥式吸附机制。基于此，研究人员成功制备了涵盖14种镧系元素的SACs系列材料，其CO法拉第效率均超过90%。其中Er基催化剂在500 mA·cm-2电流密度下实现了约130000 h-1的高转换频率。更值得注意的是，在酸性电解液体系中，该催化剂在200 mA cm-2工况下展现出34.7%的全电池能量效率和70.4%的单程CO2转化效率。

    这一催化平台充分挖掘了镧系元素组的协同潜力，通过探索单原子催化剂中独特的键合模式，不仅为高效CO2至CO转化开辟了新路径，更为拓展其他催化应用提供了创新思路。

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57464-8
15浏览量
原文链接
相关报告

  • 《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。
    120浏览量
    原文链接

  • 《Nat.Commun:双中心单原子合金催化剂促进电催化CO2还原中的碳氢化合物形成》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-11-12
    • 来自材料牛 一、 导读        近年来，在CO 2 氢化生成能量密集型碳氢化合物分子（HCs）的催化反应中，以CO 2 加氢而不产生H 2 为特征的电催化CO 2 还原反应（CO 2 RR）备受关注。铜（Cu）可以高效的催化HCs（特别是C2+）形成的元素，因为它对氢（ΔE H ）和羰基（ΔE CO ）的结合能都是最佳的，而ΔE H 和ΔE CO 是CO 2 RR过程中普遍存在的中间体。目前，研究发现金属合金化是一种广泛采用的加速CO 2 RR同时合理抑制竞争性析氢反应（HER）的策略。不幸的是，大多数非贵金属组成的Cu合金催化剂通过削弱ΔE CO 从而表现出更倾向甲酸盐或CO生成的选择性。因此,违背了使用 Cu 作为催化金属以实现CO 2 深度加氢的最初目的。目前，部分研究学者提出通过在元素周期表中加入位于Cu左侧的铂族金属（PGMs）来直接解决上述限制问题，因为铂族金属将为CO提供大量的结合能。然而根据动力学分析表明，HER在PGM基团上的反应仍然比CO 2 RR要快的多。因此，从设计PGM-Cu催化中心本身的角度出发，合理设计一种PGM-Cu界面的替代结构实现通过CO 2 RR高效且选择性地生成HCs，并从本质上限制了HER是CO 2 RR最关键的研究之一。 二、 成果掠影    近日，克莱姆森大学Ming Yang和马萨诸塞大学FangLin Che等人提出了一种巧妙的设计，将原子分散的铂族金属物种锚定在多晶和形状可控的Cu催化剂上（PGM 1 -Cu SAAs），该催化剂能通过CO 2  RR来高效的催化碳氢化合物的形成。相关的研究成果以“Dual-site catalysts featuring platinum-group-metal atoms on copper shapes boost hydrocarbon formations in electrocatalytic CO 2 reduction”为题发表在Nature Communications上。 三、 核心创新点 1、通过一种巧妙设计成功合成出多晶和形状可控的Pt 1 Cu单原子合金(SAAs)纳米催化剂。 Pd 1 Cu SAA 能高效通过 CO 2  RR 轻松地形成CH4和 C 2 H 4 ，同时抑制不必要的析氢反应的发生。值 得注意的是，具有类似金属配方但包含小铂或钯簇的合金将无法实现这一目标; 2、通过形状控制的催化剂合成、原位反应研究和DFT计算分析，当铜表面有相当数量的CO-Pd 1 基团时，CO氢化成CHO或CO-CHO偶联成为Cu（111）或Cu（100）上的主要途径之一, 另外通过Pd-Cu双位点途径选择性产生CH 4 或C 2 H 4 四、 数据概览 图1 多晶 PGM-Cu SAA 的形态和结构分析。a多晶Cu催化剂的FESEM图像及其相应的EDS元素图。b Pd 1 Cu SAA的像差校正 HAADF-STEM 图像。圆圈突出显示单原子Pd。c Pd K-edge EXAFS  ©2023 The Author(s) 图2 电催化CO 2 还原活性比较。多晶 Cu、多晶Pd 1 Cu SAA和形状受控的Pd 1 Cu SAA在不同电压（相对于RHE）下的a C 2  H 4 和b CH 4 的部分电流密度。c CO 2 还原FE% 和电流密度的比较 ©2023 The Author(s) 图3 DFT计算Pd 1 Cu SAA中单原子Pd对调节CO吸附和HER的作用。a , b分别显示CO 在Cu、Pd 1 Cu和Pd的 (100) 和 (111) 面上的吸附能。c , d是 HER 在Cu、Pd 1 Cu和Pd 的 (100) 和 (111) 面上的自由能图  ©2023 The Author(s) 图4 作为扫描电位函数的气态产物实时分析。使用a Cu NP 和 b Pd 1 Cu SAA还原CO 2 时，通过质谱仪检测的循环伏安图和实时碳氢化合物产物分布  ©2023 The Author(s) 图5 CO 2 还原过程中在Cu上的Pd对产物分布的影响。a Cube-Cu 和b Octa-Cu的SEM 图像。c多晶和形状控制的Cu纳米粒子和 Pd 1 Cu SAA的粉末 X 射线衍射图。d Pd K-edge EXAFS（阴影线）和曲线拟合（点）。e CH 4 和C 2 H 4 的FE分布 ©2023 The Author(s) 图6 形状控制的Cu和Pd 1 Cu SAA的原位ATR-SEIRAS。O 2 饱和0.5 M KHCO 3 电解质中Pd 1 Cu SAA和Cu在-0.8 V下作为时间函数收集的较高波数处的光谱a 和较低波数处的光谱b ©2023 The Author(s) 图7 Pd1Cu SAA中单原子 Pd 对反应自由能和活化能垒的DFT计算。a ?Cu(111)、Pd 1 Cu(111)和CO- Pd 1 Cu (111)上CO 加氢(H ?+ CO ?→ CHO +)的反应自由能和活化势垒以及相应的IS、TS 和 FS结构。b C-C偶联(CO  ?+ CHO  ?→ OCCHO  ?+ )在Cu(111)、Pd 1 Cu(111)和CO- Pd 1 Cu (111)上的反应自由能和活化势垒以及相应的IS、TS 和 FS结构 ©2023 The Author(s) 五、 成果启示   综上所述，这项工作提出了一种巧妙的Pt 1 Cu单原子合金 (SAAs) 纳米催化剂的策略。铂族金属虽然在传统上不利于电催化CO 2 加氢，但现在可以作为Cu基体上的合金单原子来利用，以显著地提高反应效率和选择性地产生碳氢化合物，这是许多其他铜基合金无法实现的反应目标。在汽车电气化的大趋势下，铂族金属重型汽车催化剂逐渐被淘汰，这一新发现为铂族金属催化剂应用在全球市场上提供了独特的机会。
    269浏览量
    原文链接