《高指數晶面結構Cu納米晶的製備與CO2電催化還原性能研究》是依託廈門大學，由田娜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高指數晶面結構Cu納米晶的製備與CO2電催化還原性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：田娜
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
CO2電催化還原是當前電化學、環境科學和能源科學等學科交叉的研究熱點。Cu是該反應的一個特殊的電催化劑，只有它能夠把CO2還原成碳氫化合物、醇和羧酸等有機物，但存在著Cu納米催化劑結構不明確、催化活性和選擇性不高、反應機理不清楚的關鍵問題。本體Cu的高指數晶面對CO2還原具有高催化活性和高C2以上產物的選擇性。本項目擬在現有貴金屬高指數晶面結構納米晶的研究基礎上，發展非貴金屬納米晶的電化學控制合成技術，製備由不同高指數晶面圍成的Cu納米晶（如二十四面體、偏方三八面體等），顯著提高對CO2電催化還原的活性和選擇性。在此結構明確的Cu納米晶上，綜合運用多種優勢互補的電化學譜學方法（紅外、拉曼、和頻、質譜、核磁共振等）和色譜技術，檢測CO2電還原過程的吸附態反應中間體和產物分布，並結合DFT理論計算，闡明構效規律和反應機理。
結題摘要
CO2電催化還原是當前電化學、環境科學和能源科學等學科交叉的研究熱點。Cu是該反應的一個特殊的電催化劑，只有它能夠把CO2還原成碳氫化合物、醇和羧酸等有機物，但存在著Cu納米催化劑結構不明確、催化活性和選擇性不高、反應機理不清楚等問題。本項目中我們結合金屬納米催化劑表面結構可控制備與理論計算，著重研究了不同表面結構的Cu基催化劑，特別是高指數晶面結構納米晶對CO2電催化還原的性能與反應機理。取得如下主要結果：1、成功製備出了{530}高指數晶面結構的Cu二十四面體；2、首次製備出晶面連續可調的高指數晶面結構Pd二十四面體，並作為模型催化劑，獲取構效規律，有效填補了傳統本體單晶面模型催化劑與實際納米催化劑在結構和尺度上的鴻溝；3、高指數晶面結構Pd二十四面體表面修飾Cu，有效調控了CO2電催化還原的反應選擇性，發現單層Cu修飾時主要液相產物為乙醇，其選擇性隨著台階原子的密度增加而增加，在{730}表面上法拉第效率可達27%。而0.8層Cu修飾時液相產物主要為甲醇。結合理論計算解釋了反應選擇性隨Cu的覆蓋度而變化的規律。DFT理論計算表明相較於純Cu和純Pd，在Pd台階位上的單層Cu原子具有比較合適的CO吸附能（比Cu強，比Pd弱），使得CO2更容易發生還原，也有利於C-C偶聯生成乙醇；4、通過製備銅基合金催化劑、還原氧化銅(OD-Cu)表面修飾、具有CO2捕獲能力的碳載體材料等，調控了CO2還原的選擇性；5、運用從頭算分子動力學模擬等理論計算，證明Cu(100)表面CO2還原為CH4是按質子-電子轉移機理，明確了溶劑水和界面電荷對CO2還原的促進機制。本項目對深入認識CO2在Cu基催化劑上電化學還原的選擇性調控、構效規律和反應機理具有重要意義。項目執行期間在J. Am. Chem. Soc., Chem. Commun., ACS Catal.等期刊上共發表包括25篇標註項目號的SCI論文，指導5名碩士研究生畢業，協助指導3名博士研究生畢業，博士後出站一人。
