封面文章 | 金纳米结构对二氧化碳电催化还原性能的影响

工业化的快速进程为我们社会带来极大便利, 但同时也给我们带来了诸多环境问题, 比如排放大量的二氧化碳(CO₂)等气体造成的温室效应。通过电化学技术将二氧化碳转化成燃料是一种潜在解决温室效应以及实现化学能循环利用的有效途径。然而, 电催化二氧化碳还原反应(CO₂ reduction reaction, CO₂RR)受高过电位、低反应动力学以及伴随氢气析出副反应等的限制。金纳米结构催化剂能高效、高选择性地将CO₂电催化还原成CO, 并显示出催化剂结构与催化性能间的显著的依赖性。

鉴于此, 南京大学化学化工学院夏兴华教授、刘春根教授课题组在可控合成金纳米催化剂的基础上, 从实验和理论两方面深入探究了金纳米催化剂表面结构与尺寸在CO₂RR中的重要作用(图1), 在Science Bulletin 2020年第10期以封面文章发表了题为“Importance of Au nanostructures in CO₂ electrochemical reduction reaction”的研究论文。

图1  金胶与金二十面体的形貌、结构及光学性能表征结果 

文中研究了50 nm金胶以及50 nm金二十四面体(Au TOH)上CO₂RR的法拉第效率(图2)。研究发现, 金二十四面体催化还原CO₂成CO的法拉第效率高达88.80%(@−0.6 V), 较金胶催化剂(59.04%@−0.7 V)高约1.5倍; 金二十四面体纳米粒子催化转化CO₂成CO的法拉第效率随粒子尺寸增大而呈现线性下降的趋势, 在100 nm金二十四面体纳米粒子上的法拉第效率仅为62.13%。

图2  电催化还原CO₂成CO₂的法拉第效率随金胶和金二十四面体尺寸及电位的演变规律 

密度泛函理论(DFT)计算结果表明(图3), 金二十四面体(221)晶面比金胶(111)晶面更有利于稳定电催化CO₂还原过程中的重要中间产物COOH*, 从而降低反应过电位并提升法拉第效率。同时, 计算还表明, 金二十四面体表面配位数较低的边缘原子(edge site)较面内原子与CO₂结合更强, 更易使其氢化为COOH*。该工作为指导电化学CO₂还原高效催化剂的设计和合成提供了理论指导。

图3 金纳米结构表面不同活性位点处CO₂RR反应吉布斯自由能的DFT计算值

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文章信息：[点击下方链接或“阅读原文”可获取全文] 

Dong-Rui Yang, Ling Liu, Qian Zhang, Yi Shi, Yue Zhou, Chungen Liu, Feng-Bin Wang, Xing-Hua Xia. Importance of Au nanostructures in CO₂ electrochemical reduction reaction. Science Bulletin, 2020, 65(10): 796-802. doi:10.1016/j.scib.2020.01.015.

https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.01.015

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