研究人员发现双原子催化剂还原二氧化碳的瓶颈

东北大学的研究人员揭示了双原子催化剂(DAC)这个有前景的催化领域表现不佳背后的原因。他们的研究结果揭示了DAC在将二氧化碳(CO2)转化为有价值的多碳产品方面所面临的挑战。结果于2023年7月10日发表在《ACSCatalysis》杂志上。

与传统催化剂不同，金属-氮-碳(MNC)DAC具有两个独立的原子对，它们协同工作以产生催化机制。DAC可以提高催化过程的效率和可持续性，这对于清洁能源技术至关重要。

DAC因其将CO2转化为乙醇和乙烯等多碳产品的潜力而受到吹捧。这是因为多金属位点的存在，使得碳原子能够容易地耦合在一起(CC耦合)，从而产生CO2还原反应(CO2RR)。然而，最近的实验未能达到这一结果，表明几乎没有DAC可以生产大量的多碳产品。

“鉴于对DAC寄予厚望，我们希望找出失败的原因，”东北大学高级材料研究所(WPI-AIMR)副教授、该论文的通讯作者李浩(HaoLi)说道。“为此，我们探测了典型同核和异核DAC的表面状态，并使用先进的理论计算探索了CO2RR的反应机制。”

Pourbaix分析表明，与CC耦合发生在DAC表面的传统假设相反，CO更喜欢占据两种金属之间的桥位，阻碍了后续的CC耦合。这使得CO2RR反应的发生在热力学和动力学方面都具有挑战性。根据模型，DAC在CO2反应中优先生成CO，这与实验中观察到的情况相符。

研究人员还发现，如果分子可以穿过碳层中的大间隙，则双面占据(即两个分子结合或占据MNCDAC表面碳层的两侧)变得更加有利。这使得在CO2RR中更有可能形成HCOOH。

Li和他的团队相信，他们的研究提供了对DAC内部催化机制的重要理解，并为未来的改进铺平了道路。“我们的分析框架结合了表面态分析、活性建模和电子结构分析，揭示了为什么CO2RR中的CC耦合对于DAC来说仍然困难。此外，我们还提供了增强催化剂性能的关键见解。”

基于这些见解的进一步研究和开发可能会带来更有效和可持续的解决方案，将CO2转化为有价值的化学品和燃料。