CO2轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)物的高效光催化劑的設(shè)計研究

成果展示

單原子催化劑（SACs）在光催化CO2轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)物方面表現(xiàn)出了巨大的潛力，但是氣態(tài)多碳烴產(chǎn)物的生成仍具有挑戰(zhàn)性。以前，單個原子的載體由多個元素組成，由于單原子位點的配位環(huán)境多樣化，難以控制，使得C-C偶聯(lián)困難。

基于此，清華大學(xué)李亞棟院士和王定勝副教授、中山大學(xué)胡卓鋒副教授（共同通訊作者）等人報道了一種由在紅磷（RP）負載金（Au）單原子的單原子催化劑（Au1/RP SAC），并用于誘導(dǎo)C-C偶聯(lián)，其中RP是由單一元素組成的具有均勻結(jié)構(gòu)、較低電負性和更好吸收CO2能力的載體。

Au單原子附近的富電子磷原子可以作為CO2活化的活性位點，使得Au單原子能有效降低C-C耦合的勢壘，進而提高形成乙烷（C2H6）的反應(yīng)動力學(xué)。值得注意的是，在沒有犧牲劑的情況下，Au1/RP的C2H6選擇性和周轉(zhuǎn)頻率分別達到96%和7.39 h-1，幾乎代表了目前已報道的C2化學(xué)合成最好的光催化劑。本研究將為CO2轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)物的高效光催化劑的設(shè)計提供新的思路。



圖1. Au1/RP光催化CO2轉(zhuǎn)化為乙烷

背景介紹

目前，利用光催化劑可以高效催化CO2轉(zhuǎn)化為CO、甲烷等C1化合物，但在光催化CO2還原中很難產(chǎn)生雙碳（C2）產(chǎn)物，因為其需要C-C偶聯(lián)，C-C鍵的形成需要克服比C-H鍵和C-O鍵形成更大的反應(yīng)勢壘。

雖然大量報道了在CO2還原過程中制備乙醇和乙酸等液態(tài)氧合多碳產(chǎn)物，但很少有關(guān)于CO2還原生產(chǎn)氣態(tài)多碳烴產(chǎn)物，例如在無犧牲劑下生成C2H6。

光催化CO2還原生產(chǎn)C2H6比較困難，因為需要打破非常穩(wěn)定的C-O鍵，且選擇性通常低于30%。因此，開發(fā)有效的光催化劑將CO2轉(zhuǎn)化為氣態(tài)多碳烴產(chǎn)物是一項非常重要和具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

目前，許多工作都集中在改變單金屬原子的類型和配位結(jié)構(gòu)上，以實現(xiàn)CO2的高效率轉(zhuǎn)化，但對于金屬單原子作為活性位點的催化劑，一個C1中間體需要解吸并遷移到另一個C1中間體上進行C-C偶聯(lián)，必然降低了C2的生成速率和選擇性。

因此，還需要考慮CO2還原中間體與載體之間的相互作用。紅磷（RP）是一種單質(zhì)磷光催化劑，制備簡單、穩(wěn)定性高，在光催化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

RP具有以下優(yōu)點：

（1）RP的組成元素單一，可為金屬單原子提供相同的配位環(huán)境；

（2）磷（P）具有較低的電負性，P元素的配位可以控制金屬單原子的電子密度；

（3）富電子的P原子可有效吸附CO2，并通過Lewis酸堿相互作用與CO2中的O相互作用，促進C-O鍵的裂解，生成較大的C1中間體。

因此，設(shè)計和構(gòu)建RP負載金屬單原子以促進C1中間體的電荷分離和偶聯(lián)是實現(xiàn)高活性和高選擇性制備C2產(chǎn)物的潛在途徑之一。

圖文解讀

合成與表征

作者首先合成了塊狀多孔RP，然后在攪拌下將RP分散在HAuCl4溶液中，攪拌半小時。接著，通過冷凍干燥過程進行染色。

最后，在H2氣氛中煅燒RP以獲得Au1/RP SAC。TEM圖像顯示，Au1/RP具有多孔形態(tài)，未觀察到Au納米顆粒的存在。

同時，Au1/RP的HAADF-STEM圖像顯示未發(fā)現(xiàn)金屬顆粒。P和Au元素均勻分布在收集區(qū)域，Au原子均勻分布在RP載體上。



圖2. Au1/RP催化劑的形貌表征



圖3. Au1/RP催化劑的結(jié)構(gòu)表征

CO2還原性能

在Au1/RP上，CO和CH4的產(chǎn)率分別僅為0.02和0.03 μmol g-1 h-1，而C2H6的產(chǎn)率高達1.32 μmol g-1 h-1，同時選擇性高達96%，其產(chǎn)率和選擇性優(yōu)于大多數(shù)最先進的光催化劑，表明Au1/RP對C2H6的生成具有良好的選擇性。此外，在RP上負載了Pt、Ir、Pd和Au-Pd不同的金屬單原子，只有Au對C2H6的產(chǎn)生表現(xiàn)出較高的活性，證實Au的作用是生成C2H6。

此外，Au1/RP制取C2H6的周轉(zhuǎn)頻率（TOF）可達到0.052 h-1，高于大多數(shù)光催化劑。如果將CO2的吸附量作為活性位點，計算出Au/RP的TOF可達7.39 h-1的極高值。



圖4. 評估CO2還原性能

研究C-C偶聯(lián)起源

在文中，作者構(gòu)造了兩個C分離連接的態(tài)，研究了六個中間態(tài)。在計算中有8個狀態(tài)，能量變化圖如下：剛開始（狀態(tài)1到狀態(tài)4）能量迅速下降，兩個C原子越來越近（狀態(tài)1到狀態(tài)4），然后從狀態(tài)4到狀態(tài)5，能量保持在同一水平。在此期間，形成了C-C鍵，兩個C原子也與附近的P原子成鍵。

隨后，一個C原子離開P原子，變得更接近Au原子（狀態(tài)6到狀態(tài)8），可能是由于Au原子對C原子的吸引。在此期間，能量再次下降?？傊?，C-C偶聯(lián)是有利的，表明Au1/RP有利于C2H6的形成。



圖5. C-C偶聯(lián)起源的研究



圖6. 載流子動力學(xué)

審核編輯：劉清