针对CO2电催化合成多碳醇的双位点催化剂

刘志敏

中国科学院化学研究所，北京 100190

N-掺杂石墨烯量子点修饰的铜基催化剂电催化还原CO2制备多碳醇。

CO2资源化利用制备重要化学品、燃料和材料对于实现可持续发展具有重要意义。其中，电催化还原CO2是最有应用前景的途径之一1。多碳醇可以直接作为燃料使用或与汽油混合形成更清洁的燃料，因此近年来电催化还原CO2制备多碳醇(如乙醇和丙醇)引起了人们的广泛关注2。

目前，铜基催化剂是已知的能将 CO2电催化转化成多碳产物的最有效催化剂，通过其形貌调控、杂原子掺杂、小分子修饰等方法可提高多碳醇的选择性3-5。然而，在可商业化电流密度下多碳醇的法拉第效率依然较低。氮掺杂碳材料是另一类能将CO2转化成多碳醇的催化剂，主要源于对含氧中间体(如*OCHx、*OH和*O等)的有效吸附6。据报道，氮掺杂介孔碳材料可将 CO2高选择性地转化成乙醇，法拉第效率达到 77%，但是电流密度较低7。因此，设计高活性、高选择性的CO2电催化制备多碳醇的催化剂仍然极具吸引力和挑战性。

最近，中国科学院化学研究所韩布兴院士课题组将氮-掺杂的石墨烯量子点(NGQ)修饰到氧化铜纳米棒上(CuO-nr)，设计获得了新型双位点铜基催化剂NGQ/CuO-nr，实现了高活性和选择性CO2电催化合成多碳醇，法拉第效率达到52.4%，电流密度高达282.1 mA·cm-2。更重要的是，该催化剂具有良好的稳定性，100 h长时间使用后，依然能保持原有的催化剂结构和催化性能8。

研究表明，反应过程中 NGQ/CuO-nr催化剂的CuO被还原成金属Cu，而NGQ的存在没有改变 Cu的价态和配位环境。对比实验表明，NGQ/CuO-nr催化剂具有两种催化位点，NGQ和Cu协同催化CO2电还原合成多碳醇。密度泛函研究表明，NGQ和Cu的结合能够有效稳定*C2H3O这一关键的中间体，进而促进多碳醇生成。

上述工作在近期的 Angewandte Chemie International Edition上发表8。该工作提出了通过结合不同催化位点提高产物选择性的方法，通过双位点催化剂的设计，将 CO2高活性和选择性地转化成多碳醇，为高效电还原CO2催化剂的设计提供了新思路。