原子级精确铜纳米团簇的可控合成及其对电催化还原二氧化碳至乙醇的研究

Resource conversion of CO2 is significant for the realistic life and has broad promising applications. Electrocatalytic reduction of carbon dioxide to ethanol is an efficient route for this conversion. However, the high barrier of C-C coupling reaction causes slow kinetic process in the conversion process, which impedes the development of electrochemical CO2 reduction technology. This project will utilize thiol ligands containing several heteroatoms to synthesize the atomically precise copper nanoclusters as catalysts, which have abundant ontop sites and controlled Cu-Cu bond length. Intriguingly, the absorption energy of intermediate products (CHxO) can be optimized by tuning the structural features of copper nanoclusters, then reducing kinetic barrier of C-C coupling reaction, facilitating the formation of C-C bond and achieving superior activity and selectivity CO2 reduction material. Moreover, to disclose the reaction mechanisms of electrochemical reduction of CO2 to ethanol, the project plans to analyze the intermediates’ absorption state as well as thermodynamic and kinetic process by in situ FTIR spectra in combination with DFT method. Finally, we hope figure out the CO2 reduction mechanism on Cu nanoclusters that will provide the guides for design and utilization of new type copper-based electrocatalysts for efficient CO2 reduction.

二氧化碳的资源化具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。电催化还原二氧化碳为乙醇是二氧化碳资源化的有效途径。但是在转化过程中，碳-碳耦合的高能垒导致了缓慢的反应动力学，严重制约电催化还原二氧化碳技术的发展和应用。本项目拟利用含有多个杂原子的硫醇分子作为配体，设计合成具有丰富顶端金属活性位点和可调铜-铜键长的原子级精确铜纳米团簇作为催化剂，优化中间产物（CHxO）的吸附能，降低碳-碳耦合反应的能垒，促进电催化二氧化碳还原反应中间产物之间碳-碳键的形成，实现高活性和高选择性地电催化还原二氧化碳为乙醇；结合原位红外光谱和密度泛函理论计算方法，探讨二氧化碳还原为乙醇的中间产物吸附状态以及内在热力学和动力学过程，揭示电化学催化二氧化碳还原为乙醇的反应机理，探明原子级精确铜纳米团簇对二氧化碳还原转化为乙醇的作用机制；从而为设计和利用新型、高效二氧化碳还原的铜基电催化剂提供重要指导。

二氧化碳的资源化具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。电催化还原二氧化碳为乙醇是二氧化碳资源化的有效途径。但是在转化过程中，碳-碳耦合的高能垒导致了缓慢的反应动力学，严重制约电催化还原二氧化碳技术的发展和应用。本项目拟利用含有多个杂原子的硫醇分子作为配体，设计合成具有丰富顶端金属活性位点和可调铜-铜键长的原子级精确铜纳米团簇作为催化剂，优化中间产物（CHxO）的吸附能，降低碳-碳耦合反应的能垒，促进电催化二氧化碳还原反应中间产物之间碳-碳键的形成，实现高活性和高选择性地电催化还原二氧化碳为乙醇；结合原位红外光谱和密度泛函理论计算方法，探讨二氧化碳还原为乙醇的中间产物吸附状态以及内在热力学和动力学过程，揭示电化学催化二氧化碳还原为乙醇的反应机理，探明原子级精确铜纳米团簇对二氧化碳还原转化为乙醇的作用机制；从而为设计和利用新型、高效电催化剂提供重要指导。