中國科大雜化二維超薄結(jié)構(gòu)電催化還原二氧化氮研究獲進展

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授謝毅、特任教授孫永福課題組在雜化二維超薄結(jié)構(gòu)的合成及應(yīng)用領(lǐng)域取得重要進展。該課題組設(shè)計了一種雜化模型體系用來研究金屬表面氧化物對其自身金屬電催化性能的影響，該研究成果發(fā)表在1月7日出版的Nature上(2016, 529, 68-72, DOI 10.1038/nature16455)。

　　通過電催化過程將CO₂還原成碳?xì)淙剂戏肿硬粌H有助于降低CO₂的負(fù)面影響，而且還可以獲得甲烷、甲酸、甲醇等燃料。然而，電還原CO₂過程的一個瓶頸是如何將高穩(wěn)定性的CO₂活化，這往往需要非常高的過電位；而過電位的存在不僅浪費大量的能源，還往往導(dǎo)致還原產(chǎn)物選擇性的降低。

　　已有報道顯示金屬電極通常具有較高的電還原CO₂活性，尤為有趣的是通過金屬氧化物還原得到的金屬比通過其它方法制備的金屬催化活性要高，甚至能將CO₂的還原電位降低到熱力學(xué)的最小值。但是金屬表面氧化物對其自身金屬電還原性能的影響機制還不清楚，這主要是因為以前制備的催化劑中含有大量的微結(jié)構(gòu)如界面、缺陷等，這些微結(jié)構(gòu)的存在很容易掩蓋住表面金屬氧化物對其自身金屬催化性能的影響。

　　為了揭示金屬表面氧化物對其自身金屬電還原CO₂性能的影響，研究人員構(gòu)建了一種雜化模型材料體系，即數(shù)原子層厚的金屬/金屬氧化物雜化超薄結(jié)構(gòu)。以六方相Co為例，他們通過配體局限生長的方法制備了4原子層厚的Co/Co氧化物雜化結(jié)構(gòu)。電化學(xué)比表面積矯正的Tafel斜率和法拉第轉(zhuǎn)換效率結(jié)果揭示出局限在超薄結(jié)構(gòu)中的表面Co原子，比塊材中的表面Co原子在低的過電位下具有更高的本征催化活性和更高的產(chǎn)物選擇性，Co原子層的部分氧化進一步增加了其本征催化活性，進而在只有0.24 V的過電位下于40 h內(nèi)獲得10 mA cm^-2的穩(wěn)定電流和90%的甲酸選擇性。

　　該研究工作展示了金屬原子在位于特定的排列方法和氧化價態(tài)時，可能具有更高的催化轉(zhuǎn)化活性，即超薄二維結(jié)構(gòu)和金屬氧化物的存在提高了催化還原CO₂的能力。該工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩(wěn)定的CO₂電還原催化劑，也對推動電催化還原CO₂機理研究具有重要的意義。

　　謝毅課題組近年來一直從事低維固體的電聲輸運行為調(diào)控與能量轉(zhuǎn)化應(yīng)用這一交叉領(lǐng)域研究，在無機二維超薄材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)與光、電催化性能的調(diào)控規(guī)律方面開展深入研究，相關(guān)工作在國際重要刊物上發(fā)表了系列論文，是目前國際上在該領(lǐng)域持續(xù)活躍的幾個主要研究小組之一。由于在該領(lǐng)域的進展，謝毅應(yīng)邀為Nature 雜志撰寫了2015年的新年展望 (Nature 2015, 517, 16)，該展望闡述了交叉學(xué)科的重要性，強調(diào)了跨學(xué)科的研究對能源轉(zhuǎn)化研究的促進作用。

　　該研究工作得到了基金委、科技部、中科院、教育部和校重要方向項目培育基金等項目的資助。

中國科大雜化二維超薄結(jié)構(gòu)電催化還原二氧化氮研究獲進展