表面应力效应调控钯纳米晶二氧化碳电催化还原性能

包信和

表面应力效应调控钯纳米晶二氧化碳电催化还原性能

包信和

(中国科学院大连化学物理研究所，催化基础国家重点实验室，辽宁 大连116023)

目前，与人们日常生活密切相关的液体燃料、化学品、电和热等主要依赖石油、煤和天然气等化石能源经过工业炼制或高效燃烧等过程转化。在转化过程中二氧化碳的大量排放对人们赖以生存的生态环境造成了严重威胁。电催化还原二氧化碳提供了一条将作为排放物的CO2高效转变为高值化学品新途径1。简单地说，利用可再生电能或富余核电为能源，与电解水耦合从水中获取氢，在比较温和的反应条件一步直接获得一氧化碳、碳氢化合物和甲醇等高值化学品和液体燃料，同时实现电能存储和二氧化碳转化。当前，

研制新型催化剂来降低过电势和提高反应选择性是二氧化碳电催化还原研究中极具挑战性的热点课题。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室和化学与材料科学学院曾杰教授课题组长期以来关注纳米催化剂的结构设计与电催化性能研究，并取得了一系列进展2-4。近日，黄宏文等人与杨金龙教授5合作，在调控二氧化碳电催化还原性能方面取得重要进展。他们设计合成了钯单晶八面体纳米晶和孪晶二十面体纳米晶的准模型催化体系，在保证两者尺寸、表面晶面和表面包裹分子相同的情况下，研究了钯纳米晶表面应力与二氧化碳电催化还原性能之间的内在关联。在－0.8 V(vs RHE)时，钯孪晶二十面体纳米晶上生成一氧化碳的法拉第效率达到91.1%，远高于钯单晶八面体纳米晶(～50%)。通过分子动力学模拟、第一性原理计算以及电化学测试，发现表面拉伸应力提升了钯孪晶二十面体纳米晶的d带中心，从而增强了催化剂表面二氧化碳的吸附和活化，显著提高了二氧化碳电催化还原活性和选择性。

该研究工作最近发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上5。该项结果很好地诠释了催化剂表面结构与催化反应活性间的对应关系，进一步的研究将为充分认识纳米催化剂的作用原理，以及设计高效催化剂提供坚实的理论基础。

References

(1)Gao,D.;Zhou,H.;Wang,J.;Miao,S.;Yang,F.;Wang,G.;Wang, J.;Bao,X.J.Am.Chem.Soc.2015,137,4288.doi:10.1021/ jacs.5b00046

(2) Zhao,X.;Chen,S.;Fang,Z.;Ding,J.;Sang,W.;Wang,Y.;Zhao, J.;Peng,Z.;Zeng,J.J.Am.Chem.Soc.2015,137,2804.doi: 10.1021/ja511596c

(3) Zhou,S.;Miao,X.;Zhao,X.;Ma,C.;Qiu,Y.;Hu,Z.;Zhao,J.; Shi,L.;Zeng,J.Nat.Commun.2016,7,11510.doi:10.1038/ ncomms11510

(4) Zhao,X.;Zhang,H.;Yan,Y.;Cao,J.;Li,X.;Zhou,S.;Peng,Z.; Zeng,J.Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,328.doi:10.1002/ anie.201609080

(5) Huang,H.;Jia,H.;Liu,Z.;Gao,P.;Zhao,J.;Luo,Z.;Yang,J.; Zeng,J.Angew.Chem.Int.Ed.2017,doi:10.1002/ anie.201612617

Surface Strain Effect Engineers the Catalytic Performance of Pd Nanocrystals in CO2Electrochemical Reduction

BAO Xin-He
(State Key Laboratory of Catalysis,Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023, Liaoning Province,P.R.China)

10.3866/PKU.WHXB201703091