中國科學院福建物質結構研究所電催化還原CO2制乙烯研究獲進展

近日，中國科學院福建物質結構研究所的研究團隊通過串聯催化策略，在局部附近多個不同的催化位點來提高CO2電還原反應(CO2RR)對乙烯的選擇性。該研究成果發表于《德國應用化學》雜志。

CO2RR反應對于合成乙烯等化學品具有重要意義，但受限于單一活性中心的多電子轉移過程和緩慢的C-C耦合過程。

該研究團隊將Cu納米顆粒均勻分散在錨定原子孤立的Ni-N位點的卟啉三嗪骨架[PTF(Ni)]上，構建了串聯催化劑PTF(Ni)/Cu，用于催化CO2RR反應生成乙烯。其中PTF(Ni)可以有效地將CO2還原成高濃度的CO，并隨后遷移到附近的Cu位，為下一次C-C偶聯和進一步生產乙烯提供高覆蓋率。

為進行對比，該研究團隊通過TPPCN三聚反應得到分散在PTF上的Cu納米顆粒PTF/Cu催化劑。與主要生成CH4的PTF/Cu催化劑相比，PTF(Ni)/Cu催化劑在-1.1 V電壓下催化CO2RR反應生成乙烯的選擇性高達57.3%，而PTF/Cu催化劑上的乙烯選擇性僅為9.6%。

采用密度泛函理論(DFT)計算的結果表明，由于PTF(Ni)產生高濃度CO，其可為附近Cu位點提供富CO的局部環境，提高了C-C偶聯概率，進而提高乙烯選擇性。此外，PTF(Ni)/Cu催化劑表現出良好的穩定性，連續電解11 h后仍能保持初始活性。

采用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)可觀察到PTF(Ni)/Cu串聯催化劑上的關鍵中間體*CO和*COCO-，而在PTF/Cu催化劑上則沒有觀察到，證實PTF(Ni)生成的高濃度CO增加了*CO在Cu納米顆粒上的中間覆蓋度，使得產物從甲烷轉變為乙烯。

該研究可為CO2RR反應高選擇性生產乙烯等化學品的催化劑設計提供借鑒。