电催化二氧化碳还原领域研究获重要进展

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在国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划等项目的支持下，华南师范大学化学学院兰亚乾教授团队近日在电催化二氧化碳（CO₂）还原领域取得了重要研究进展。相关研究发表于Angewandte Chemie International Edition。华南师范大学化学学院博士后王艺蓉为该论文第一作者。

CO₂电还原反应（CO₂RR）可以通过可再生电力将CO₂转化为有价值的化学品或燃料，同时缓解能源危机，实现全球碳平衡。然而，CO₂RR的实施仍然需要克服阳极析氧反应（OER）缓慢的动力学并且需要消耗大量的电量（约占总输入能量的90%），这将导致整个系统的高能耗、低选择性和低能量转换效率。

因此，需要找到一种热力学和动力学上更有利的氧化反应来取代OER，以提高CO₂RR系统的能量转换效率，并生成能耗较低的高价值化学品。甲醇氧化（MOR）具有比OER更低的阳极过电位，可以替代OER与CO₂还原反应耦合来降低整个电解反应系统的电耗量。此外，将光能和热能引入电催化反应体系中可以影响光敏电催化剂的电子性能，从而改变CO₂还原和甲醇氧化的活性和选择性。

该工作设计合成了一种双功能COF催化剂（Ni-2CBpy²⁺-COF），并成功地将其应用于高效光热辅助的电催化CO₂还原耦合甲醇氧化反应，在电极两侧同时生成高价值的化学品。

实验结果表明，Ni-2CBpy²⁺-COF作为双功能催化剂可用于高效光热辅助的电催化CO₂还原耦合甲醇氧化反应。在1.9V的槽电压下，阴极CO和阳极HCOOH的FE可达到~100%，同时节省了~31.5%的电耗量。具有类紫精性质的2CBpy²⁺单元可以作为电子转移媒介加速催化剂与中间物之间的电荷转移，并产生较强的光热效应（ΔT = 49.1°C），从而提高整个反应的动力学和目标产物的选择性。

该研究工作为CO₂RR与有机分子氧化反应耦合系统的设计在提高总能量转换效率和生成增值化学品方面开辟了广阔的前景，有助于电催化CO₂RR的实际应用过程。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202212162