用于CO2电催化还原的金属纳米晶-二维载体的构筑与性能研究

The increasing CO2 emission deriving from the traditional coal chemical and petrochemical industries not only aggravates the deterioration of ecological environment, but also results in the enormous waste of carbon sources. Electroreduction of CO2 into a wide variety of fine chemical products with a high added value is an effective strategy to deal with the above problems. The applicant mainly focuses on the controllable synthesis of metal nanocrystals supported on different two-dimensional supports by engineering the surface structures including surface electronic densities, charge transfer, and interfacial free energies. Diversified interfacial processes such as the adsorption of substrate molecule, the cleavage and transformation of chemical bonds will be explored from the atomic/molecular level by means of in-situ infrared spectra together with first principle theory. Besides, the applicant aims to demonstrate the effect of metal-support interaction on catalytic activity, selectivity of target products, and catalytic mechanism, resulting in the final understanding of structure-activity/selectivity relationship during CO2 electroreduction. This work is of fundamental importance in the rational design and preparation of highly efficient catalysts towards the elctroreduction of CO2.

基于传统煤化工和石油化工的能源技术涉及CO2的大量排放，不仅加剧了生态环境的恶化，且造成碳源的极大浪费。将CO2作为碳源，通过电能源将其催化转化成多种高附加值的化工原料是解决上述问题的有效途径。本课题主要选择不同类型金属纳米晶与二维载体为研究对象，实现对不同种类金属纳米晶-二维载体复合催化剂的可控制备，通过调控金属纳米晶-二维载体复合材料的表面电子态密度、电荷转移及界面自由能等界面效应参数，借助电化学原位红外光谱并基于第一性原理，从原子分子层面上深入研究CO2分子在不同界面效应催化剂表面的吸附、键的断裂和键变过程，明确界面效应对CO2电化学催化的催化活性、燃料化特征产物的选择性以及微观反应机理的相互作用，诠释金属纳米晶-二维载体复合催化剂在CO2电化学催化过程中的构效关系。通过研究旨在从机理上解析CO2电化学还原过程中分子键的微观机制，为高效的催化材料设计以及催化体系构建奠定坚实的基础。

基于传统煤化工和石油化工的能源利用涉及到CO2的大量排放，不仅加剧了生态环境的恶化，且造成碳源的极大浪费。将CO2作为碳源，通过电能将其催化转化成多种高附加值的化工原料是解决上述问题的有效途径。本项目主要以构筑高效的CO2电化学催化还原催化剂为主要研究目标。项目执行过程中分别通过调控纳米催化剂的表面缺陷、表面掺杂和单原子催化剂的配位结构等为研究内容，揭示了纳米催化剂的电子态密度、自旋轨道、能级分布等与CO2电化学催化还原过程中的内在联系，提出了通过调控催化剂对称破缺结构实现对非极性分子活化的新途径，发展了多种高效CO2电化学催化还原催化剂。借助准原位红外光谱技术、超高分辨准原位XPS技术并基于第一性原理，从原子、分子层面上深入研究了CO2分子在纳米催化剂表面的吸附、键的断裂和键变过程，给出了验证催化机理的直接证据，从机理上解析CO2电化学催化还原过程中分子键的微观机制，并为高效的CO2电化学还原催化材料设计以及催化体系构建奠定坚实的理论和实验基础。在本项目的资助下，项目负责人以第一作者和通讯作者身份分别在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B-Environ., Chem. Comm., ACS Catal., J. Catal.等期刊发表论文9篇，其中两篇ESI高被引论文。并申请发明专利2项，协助培养博士研究生4名，硕士研究生1名。