原位拉曼光谱法研究硼修饰金属材料的电催化CO2还原反应机制

The development of electrocatalytic CO2 reduction to produce valuable fuels is of great significance in solving the current energy shortage and mitigating greenhouse effect. Zn, Sn and Cu metals have attracted much attention in the field of electrocatalytic CO2 reduction, yet these catalysts are suffering from low catalytic efficiencies and their catalytic reaction mechanisms are still not clear. This project proposes to introduce boron modifier to improve the electrocatalytic CO2 reduction performances of Zn, Sn and Cu metal materials, and to explore the reaction mechanisms of the boron-modified metal materials through operando spectroscopic techniques. The main investigations are as follows: (1) to develop an effective method for the construction of boron-modified metal materials and to characterize the local ratio of B element as well as the electronic structure of the metal centers; (2) to systematically investigate the influence of the introduction of B element and its proportion on the electrocatalytic CO2 reduction performance of metals; (3) to explore the reaction mechanisms such as the active sites and reaction pathways of the catalysts by employing operando Raman spectroscopy; and further optimize the catalysts for high-performance CO2 reduction. This research will provide theoretical basis and new ideas for the development of new-type electrocatalysts for highly efficient CO2 reduction.

研究开发电催化CO2还原制备燃料的技术对缓解温室效应以及解决能源短缺问题有着重要意义。目前，Zn、Sn、Cu金属材料在电催化CO2还原研究领域备受关注，然而却仍存在催化效率低、催化反应机理不明确等问题。本课题提出通过引入硼（B）元素修饰来提升Zn、Sn、Cu金属材料电催化CO2还原性能，并重点采用原位光谱技术深入探索材料电催化CO2还原的工作机理。主要实现：（1）B元素修饰的金属材料的有效制备以及材料中B元素所占比例、金属元素电子结构的表征；（2）系统地研究B元素的引入及其所占比例对金属材料CO2电催化还原性能的影响规律；（3）重点利用原位拉曼光谱技术深入探究具备优异CO2催化性能的B修饰金属材料中的活性位点、反应路径等工作机理；在掌握机理的基础上，进一步设计优化催化材料，提升其CO2催化性能。本项研究将为更好地推动高性能电催化CO2还原材料的开发和利用提供实验基础、理论依据和新的思路。

研究开发电催化二氧化碳还原制备燃料以及电催化水分解制氢的技术对缓解温室效应以及解决能源短缺问题有着重要的意义。利用异质结构构建、缺陷引入、异元素掺杂等形式对材料进行改性可调控材料的催化性能与效率。而对材料在催化反应过程中原位所发生的变化以及材料中的活性位点、催化反应路径等机理进行研究，将为理解反应本质、进一步提升催化材料性能、促进催化材料的开发和工业化应用提供重要依据与指导。本项目中，在电催化二氧化碳还原领域，申请人在铜纳米线表面引入缺陷从而实现其对乙烯、乙酸等产物的高选择性与产率，并利用原位拉曼光谱技术揭示了催化材料的变化、活性位点以及反应物中间体，为催化机理的理解提供了指导；而在电催化水分解领域，申请人采用异质结构构筑的形式在镍基/钴基材料中引入了具备高催化活性的界面，大幅提升了材料的电催化水解活性与稳定性，并同样利用原位拉曼光谱技术，揭示材料在催化过程本身的变化以及催化活性位点，提高了对电催化水解反应过程和机理的认识。这一系列研究成果有助于推动新型电催化剂的发展，为国家“双碳”目标的达成提供技术基础。. 在本项目的资助下，申请人培养硕士研究生4名；在Inorganic Chemistry、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Colloid and Interface Science、Inorganic Chemistry Frontiers、Electrochimica Acta等国际期刊发表学术论文10篇（SCI收录10篇）；授权中国发明专利1件。