铜基光-电-热协同催化材料的CO2还原性能调控与原位拉曼机理研究

The use of solar energy to catalytic reduce greenhouse gas CO2 to available fuel is an ideal way to achieve sustainable human development. This project is geared to the international research frontier of CO2 catalytic reduction materials and major national needs. For the key scientific problems of low solar light utilization rate, low product selectivity and unclear reaction mechanism, based on metal copper-based catalysts, strong surface enhancement will be adopted. The combination of the Raman effect substrate and the preparation of high-performance catalyst materials, the design and controllable preparation of a novel surface plasmon resonance enhanced photo-electro-thermal synergistic catalytic material, and the discussion of the material control mechanism. The synergy of the external field regulates the CO2 reduction reaction, finds the surface energy, reacts the energy matching conditions of the adsorbed species and the key intermediates, explores the possibility of reducing the CO2 reaction overpotential and increasing the reaction selectivity under the cooperation of multiple external fields; Raman spectrum, the in-situ electrochemical spectroscopy technique for dynamic weak signal characterization is established. The reaction mechanism of synergistic catalytic reduction of carbon dioxide is deeply studied. The reaction mechanism is elucidated from the molecular level, and the precise control of the surface structure and electronic structure of the catalyst is rationally guided. The research of this project has important theoretical significance and potential application prospects for energy chemistry and materials science.

利用太阳能将温室气体CO2催化还原为可利用的燃料是实现人类社会可持续发展的理想途径。本项目面向CO2催化还原材料的国际研究前沿和国家重大需求，针对其太阳光利用率低、产物选择性不高及反应机理不明的关键科学问题，以金属铜基催化剂为基础，将强表面增强拉曼效应基底和高性能催化剂材料的制备相结合，开展新型表面等离子体共振增强的光-电-热协同催化材料的设计和可控制备，探讨材料调控机制；同时基于光-电-热多外场协同作用对CO2还原反应进行调控，寻找表面能量、反应吸附物种和关键中间体的能量匹配条件，探索多外场协同下降低CO2反应过电位和提高反应选择性的可能；进而通过原位拉曼光谱，建立适用于动态微弱信号表征的原位电化学光谱技术，深入研究协同催化还原CO2的反应机理，从分子水平阐明反应机理，理性指导催化剂表面结构和电子结构的精准调控。本项目研究对催化化学和材料科学有重要的理论意义和潜在的应用前景。

能源短缺和环境污染是人类二十一世纪共同面临和亟待解决的重大问题。CO2 的大量排放造成全球气候变暖等系列环境问题，进而演化成政治问题。我国作为能源消耗大国，CO2 减排压力巨大，为此国家积极开展能源结构调整，大力发展清洁能源和节能减排技术。要解决这些问题，除了减少 CO2 的排放，发展 CO2 的捕获和固定工作技术外，更具可持续性发展的思路是发展 CO2 转化技术。项目以金属铜基催化剂为基础，复合其他纳米材料，开展新型表面等离子体共振增强的光-电-热协同催化材料的设计和可控制备，筛选获得高光能利用率和高产物选择性的 CO2 催化电极材料；同时通过原位电化学拉曼光谱，深入研究协同催化还原 CO2的反应机理，理性指导催化剂表面结构和电子结构的精准调控。这些研究在高效 CO2 电还原转化催化剂研究上实现突破，建立了多种原位表征手段，为相关的电催化体系研究提供研究方法和科学支撑。.主要科学发现如下：.（1）创新性地利用金属的表面等离子体共振效应引入多种外场的协同作用，设计和制备出高光能利用率和高产物选择性的 CO2 催化电极材料，为高效光电材料的可控制备提供了新思路与新方法。.（2）建立起一套适合于多种电化学体系的高灵敏高分辨的原位拉曼表征方法；进而从材料制备、外场调控和原位机理表征多个层面全方位地研究 CO2 电化学还原体系，理性指导催化剂表面结构和电子结构的精准调控。.项目资助期内在国际知名学术刊物上发表 21902188 标注的 SCI 收录论文 12 篇，其中中科院一区论文 5 篇，包括著名学术期刊Small (1 篇)， Journal of Materials Science & Technology (1 篇)， Carbon Energy (1 篇)， Inorganic Chemistry Frontiers (1 篇)， Small Methods (1 篇)。基于项目形成的表面分析方法，项目负责人参与编制了1项国家标准并已实施。这些研究结果建立了新型光-电-热多外场协同催化材料的设计理论和可控制备方法，为构建和研发人工光合作用新能源体系提供科学基础。项目执行期间培养了6名硕士生，其中2名学生即将于2023年6月获得硕士学位，对照研究工作计划，本项目完成了预期的研究目标，申请结题。