基于表面應(yīng)力效應(yīng)調(diào)控Pd納米晶的CO2電催化還原性能

       近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院的曾杰教授課題組與楊金龍教授課題組展開合作，在理解表面應(yīng)力效應(yīng)對(duì)CO2電催化還原反應(yīng)的調(diào)制方面取得重要進(jìn)展。研究人員設(shè)計(jì)合成了Pd單晶八面體納米晶和孿晶二十面體納米晶的準(zhǔn)模型催化體系，詳細(xì)闡述了Pd納米晶表面應(yīng)力與CO2電催化還原性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。該成果以“Understanding of Strain Effect in Electrochemical Reduction of CO2: Using Pd Nanostructures as an Ideal Platform”為題發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3594），論文的共同*作者是博士后黃宏文，研究生賈歡歡和博士生劉釗。

Pd納米晶及其CO2電催化還原性能

       目前，石油、煤和天然氣等傳統(tǒng)化石能源的轉(zhuǎn)化過程導(dǎo)致了溫室氣體CO2的大量排放，加劇了氣候變暖現(xiàn)象。電催化還原CO2提供了一條將作為排放物的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧祷瘜W(xué)品的新途徑，不僅可以在一定程度上緩解溫室效應(yīng)，還可以緩和日益增長(zhǎng)的能源訴求。簡(jiǎn)單地說，電催化還原CO2過程是以可再生電能或富余核電作為能源，與電解水耦合從水中獲取氫，在比較溫和的反應(yīng)條件一步直接獲得一氧化碳、碳?xì)浠衔锖图状嫉雀咧祷瘜W(xué)品和液體燃料。但是，該項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程還受限于缺乏的催化劑，而系統(tǒng)清楚地理解催化劑的構(gòu)效關(guān)系是設(shè)計(jì)催化劑的重要前提。

       一般來說，催化劑的表面應(yīng)力狀態(tài)能夠調(diào)制催化劑的電子結(jié)構(gòu)，將對(duì)催化性能產(chǎn)生重要影響。但是，由于難以將催化劑的應(yīng)力調(diào)控和電子結(jié)構(gòu)調(diào)控孤立開來，針對(duì)表面應(yīng)力結(jié)構(gòu)在CO2電催化還原過程中的調(diào)控機(jī)制目前并不清楚。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員以Pd單晶八面體納米晶和孿晶二十面體納米晶作為準(zhǔn)模型體系，在保證兩者尺寸、表面晶面和表面包裹分子相同的情況下，研究了鈀納米晶表面應(yīng)力與二氧化碳電催化還原性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。在-0.8 V（vs. RHE）時(shí)，Pd孿晶二十面體納米晶上生成一氧化碳的法拉第效率達(dá)到91.1%，遠(yuǎn)高于Pd單晶八面體納米晶（~50%）。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬、*性原理計(jì)算以及電化學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)表面拉伸應(yīng)力提升了Pd孿晶二十面體納米晶的d帶中心，從而增強(qiáng)了催化劑表面CO2的吸附和活化，顯著提高了CO2電催化還原活性和選擇性。該項(xiàng)結(jié)果詮釋了催化劑表面結(jié)構(gòu)與催化反應(yīng)活性間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于設(shè)計(jì)CO2電還原催化劑提供了新的研究思路。

      該項(xiàng)研究得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201612617/abstract