搜索：
近日，前瞻交叉研究中心蔣昆副教授課題組在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表題為“Electrifying HCOOH Synthesis from CO2 Building Blocks over Cu-Bi Nanorod Arrays”的研究論文，實(shí)現(xiàn)了由二氧化碳溫室氣體在常溫常壓下直接電催化合成高純甲酸化學(xué)品。2022級(jí)博士研究生張貴儒為論文第一作者，蔣昆副教授、蘭州大學(xué)張澤明研究員、韓國(guó)西江大學(xué)Seoin Back教授為通訊作者。
利用可再生能源將二氧化碳電化學(xué)轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品和液體燃料是一種極具潛力的構(gòu)筑碳中性能量與物質(zhì)循環(huán)的方法。在所有電合成化學(xué)品中，甲酸（HCOOH）產(chǎn)物兼具最佳的熱值和經(jīng)濟(jì)可行性，但CO2到HCOOH的增值轉(zhuǎn)化過(guò)程在很大程度上受限于高過(guò)電位帶來(lái)的低能量轉(zhuǎn)化效率，以及產(chǎn)物從電解質(zhì)鹽中分離的高能耗下游工藝。
對(duì)此，蔣昆團(tuán)隊(duì)基于多尺度優(yōu)化的Cu-Bi納米棒陣列陰極結(jié)構(gòu)，在固態(tài)電解槽中實(shí)現(xiàn)了常溫常壓下高效的HCOOH精準(zhǔn)電合成，暨原子尺度上由Cu-Bi合金化作用來(lái)調(diào)節(jié)CO2還原中的甲酸根路徑和一氧化碳路徑，在介觀尺度上通過(guò)尖端誘導(dǎo)的局部場(chǎng)強(qiáng)作用來(lái)穩(wěn)定具有大偶極矩的*OCHO中間體，進(jìn)而在器件規(guī)模上穩(wěn)定生成>99.8%超高純度的HCOOH溶液。在催化材料設(shè)計(jì)上，以銅鉍氧三元納米棒陣列為催化劑前驅(qū)體，通過(guò)電化學(xué)原位X射線衍射譜和計(jì)算Pourbaix圖追蹤了Cu-Bi納米棒陣列的生成過(guò)程；在反應(yīng)機(jī)制上，通過(guò)二維反應(yīng)相圖、有限元分析和晶體軌道哈密頓布局分析揭示了Cu在Bi金屬表面的摻雜作用和局部場(chǎng)強(qiáng)作用對(duì)于η2(O,O)-OCHO關(guān)鍵中間體吸附能及相關(guān)反應(yīng)路徑的關(guān)鍵調(diào)控機(jī)制；在200小時(shí)的連續(xù)器件測(cè)試中，最終實(shí)現(xiàn)了CO2到HCOOH精準(zhǔn)電合成過(guò)程39.2%的能量轉(zhuǎn)化效率。
該工作不僅揭示了二氧化碳精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的調(diào)控機(jī)制，還為更多電合成系統(tǒng)中活性和選擇性的優(yōu)化策略提供了新的研究范式。該研究的合作單位包括上海交通大學(xué)變革性分子中心、溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院，寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西湖大學(xué)物質(zhì)科學(xué)平臺(tái)，上海大學(xué)化學(xué)系和復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系。研究工作得到科技部十四五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2400898121
上海交大
機(jī)械動(dòng)力學(xué)院
上海交大
機(jī)動(dòng)本科教務(wù)辦
SJTU機(jī)動(dòng)研教辦
上海交大
機(jī)動(dòng)校友辦
上海交大MEM
SJTUME基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐
SJTUME錘錘
上海交大
機(jī)動(dòng)研究生會(huì)
ME微紅旗
ME礪遠(yuǎn)學(xué)術(shù)
SJTUME職業(yè)發(fā)展中心
學(xué)院OA系統(tǒng)
jAccount登錄
ENGLISH
地址：上海市東川路800號(hào)上海交通大學(xué)閔行校區(qū)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院
郵編：200240
Email：sjtume@sjtu.edu.cn