香港城市大学范战西课题组《Small》：表面修饰非常规相金属纳米材料实现工业电流下高效电催化CO2还原

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第一作者：王娟、余金礼、孙明子、廖玲文通讯作者：范战西、黄勃龙、谷林通讯单位：香港城市大学、香港理工大学、中科院物理研究所

简介

电催化CO₂还原（CO₂RR）为实现碳中性能量循环提供了一种可持续发展的策略。但大多数催化剂均表现出较低活性和较差产物选择性，实现CO₂RR的工业化应用仍然是一个巨大的挑战。近日，香港城市大学化学系范战西课题组、香港理工大学黄勃龙课题组与中科院物理研究所谷林课题组联合报道了用氮唑类有机物表面修饰非常规相金纳米棒，实现了CO₂RR性能的显著提升，并实现了工业电流下高效电催化CO₂还原。该工作近期于Small期刊发表，并入选Rising Stars系列专刊。

本文要点

研究人员首先合成了具有非常规相的金纳米棒（4H/fcc Au-OAm），采用配体交换的方法将氮唑类有机物MMT修饰到金棒表面得到4H/fcc Au-MMT（图1）。


图1.（a）表面修饰金纳米棒示意图；（b-g）4H/fcc Au-MMT的球差电镜和元素分布图。

表面修饰后的4H/fcc Au-MMT表现出优异的CO₂RR性能，在−0.5 V ~ −0.8 V (vs. RHE) 范围内，表现出超过97.5% 的CO产物选择性。相对于原始的4H/fcc Au-OAm，表面修饰后的4H/fcc Au-MMT的CO₂RR性能显著提升（图2）。


图2. H型电解池中4H/fcc Au-MMT 和4H/fcc Au-OAm的CO₂RR性能。

为了实现工业电流下电催化CO₂至CO产物，进一步研究了流动电解池中CO₂RR性能测试（图3）。表面修饰后的4H/fcc Au-MMT表现出明显优于初始4H/fcc Au-OAm的CO₂RR性能。优化催化剂载量后，4H/fcc Au-MMT表现出优异的CO₂RR性能，尤其是在200 mA cm^-2工业电流下，CO的法拉第效率仍然达到95.6%。相对于已报道的金电催化剂，4H/fcc-MMT展现出更优异的CO₂RR性能。 
图3.（a）流动电解池池示意图；（b）流动电解池中4H/fcc Au-MMT 和4H/fcc Au-OAm的CO₂RR性能；（c）4H/fcc Au-MMT 的稳定性能；（d）金电催化剂CO₂RR性能比较。

DFT理论计算表明，针对CO₂RR，金纳米棒表面不同的配体会产生不同的电子效应，MMT配体能够提升金棒表面电化学活性，而OAm配体会抑制金棒表面电化学活性（图4）。 
图4. 4H/fcc Au-MMT 和4H/fcc Au-OAm 的CO₂RR性能解析理论计算图。

另外，表面修饰方法可以拓展到一系列MMT衍生物分子和常规相金纳米材料来提升CO₂RR性能，进而证明了此表面修饰方法的普适性（图5）。

图5. 系列MMT衍生物表面修饰非常规相金棒的CO₂RR性能图。

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范战西，香港城市大学化学系助理教授，国家贵金属材料工程技术研究中心香港分中心核心成员，全球高被引学者。曾于2010年在吉林大学化学系获得学士学位（导师：杨柏教授和张皓教授），随后于2015年在新加坡南洋理工大学获得博士学位（导师：张华教授，欧洲科学院外籍院士、亚太材料科学院院士）。曾分别在美国劳伦斯伯克利国家实验室（导师：郑海梅教授）和南洋理工大学开展博士后研究工作。目前主要从事低维金属和金属基纳米材料及其催化应用方面的研究，在非常规晶相金属纳米结构的胶体法合成、晶相转变和模板法生长，金属-半导体复合纳米材料的构筑，以及小分子催化转化等前沿领域取得了一系列研究成果。迄今，已获得美国授权专利1项，出版书/章节1项，并在SCI收录国际核心期刊上发表论文80余篇（含ESI高被引论文18篇)，其中第一/共一/通讯作者论文20余篇；论文总被引12300 余次，H指数为47 。近年来，以第一/共一/通讯作者发表论文Nature Rev. Chem.，Nature Protoc.，Nature Commun. (3篇)，Matter，Chem. Soc. Rev.，Acc. Chem. Res. (2篇)，J. Am. Chem. Soc. (4篇)， Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater.，ACS Mater. Lett.，Chem. Sci. (2篇) , Small (2篇) 等。曾入选/获得2018-2021年科睿唯安“全球高被引学者”（连续4年）、2021年国际科学组织“Vebleo协会会士”、2020和2021年纳米科学与纳米科技领域“世界前2%科学家”(斯坦福大学）、2022年 Small 期刊“Rising Star”、2021年J. Mater. Chem. A期刊“新锐科学家”、2015年欧洲材料研究学会“青年科学家奖”、2016年新加坡南洋理工大学“博士研究卓越奖”和2015年中国留学基金委“国家优秀自费留学生奖学金”等。目前/曾担任SmartMat, Chin. Chem. Lett.（中国化学快报）和 Rare Met.（稀土金属）青年编委/客座编辑，并为Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Mater. Lett., Adv. Sci., Small, SmartMat, Nano Res., Chem. Eng. J., Small Science, ChemSusChem, ACS Appl. Mater. Interfaces, ChemPhysChem，Dalton Trans., Chin. Chem. Lett., Rare Mat.等国内外知名学术期刊审稿人。目前课题组正在招收2022年秋季入学的博士研究生，欢迎申请。有意者请将个人简历、专业成绩、英语成绩(托福或雅思)以及科研经历/成果等发送至 [e-mail] 并在邮件主题中注明 “PhD Application_Your Name”。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106766
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