天大巩金龙Nature子刊:Mo2C/N-CNT选择性电还原CO2制甲醇

华算科技 2023-12-28 09:43:42

由于C-O键的保留,中间体对氧的优先吸附可提高甲醇的选择性,但吸附剂与表面的相互作用主要与催化剂中过渡金属的d-态有关,很难在不影响碳亲和力下促进氧结合中间体的形成。

基于此,天津大学巩金龙教授(通讯作者)等人报道了一种将金属的d-态与碳的s-态混合的策略,该策略促进了在吸附质表面成键过程中产生的催化剂的sp态的显著变化,从而可以避免碳和氧吸附能之间的相互依赖。

钼(Mo)基碳化物纳米颗粒(Mo2C/N-CNT)作为候选催化剂,因为Mo位点被证明在CO2加氢过程中稳定CxHyOz中间体。在-1.1 V时,Mo2C/N-CNT的最高甲醇高法拉第效率(FE)达到了80.4%。

在CO还原条件下,CH3OH的选择性远低于CO2RR。作者计算了*CO的解吸自由能,发现*CO在Mo2C/N-CNT表面的解吸自由能显著降低,不利于*CO在Mo2C/N-CNT表面的后续转化。

结果表明,CH2O*可能是Mo2C/N-CNT表面生成CH3OH的中间产物,CH3OH可能同时存在于CO2还原和CO还原过程中。在CO2还原过程中,Mo2C/N-CNT表面生成CH4可能主要通过CO途径。

Mo2C/N-CNT表面在1800-2100 cm-1之间,没有检测到明显的*CO吸收峰,表明Mo2C/N-CNT表面的*CO结合不强。

从热力学方面,羟基修饰的Mo2C表面更倾向于吸收*OCHO*中间体,而不是*COOH中间体,在反应开始时CO2更倾向于转化为*OCHO*。

根据原位ATR-SEIRAS和DFT计算结果,*CO很容易从Mo2C/N-CNT表面脱附,不利于后续的转化。在生成*OCHO*后,还原得到H2C*O*OH中间体,进一步反应生成CH2O*和CH3OH。

Selective CO2 electroreduction to methanol via enhanced oxygen bonding. Nat. Commun.,2022, DOI: 10.1038/s41467-022-35450-8.

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