中国科学院福建物质结构研究所电催化还原CO2制乙烯研究获进展

近日，中国科学院福建物质结构研究所的研究团队通过串联催化策略，在局部附近多个不同的催化位点来提高CO2电还原反应(CO2RR)对乙烯的选择性。该研究成果发表于《德国应用化学》杂志。

CO2RR反应对于合成乙烯等化学品具有重要意义，但受限于单一活性中心的多电子转移过程和缓慢的C-C耦合过程。

该研究团队将Cu纳米颗粒均匀分散在锚定原子孤立的Ni-N位点的卟啉三嗪骨架[PTF(Ni)]上，构建了串联催化剂PTF(Ni)/Cu，用于催化CO2RR反应生成乙烯。其中PTF(Ni)可以有效地将CO2还原成高浓度的CO，并随后迁移到附近的Cu位，为下一次C-C偶联和进一步生产乙烯提供高覆盖率。

为进行对比，该研究团队通过TPPCN三聚反应得到分散在PTF上的Cu纳米颗粒PTF/Cu催化剂。与主要生成CH4的PTF/Cu催化剂相比，PTF(Ni)/Cu催化剂在-1.1 V电压下催化CO2RR反应生成乙烯的选择性高达57.3%，而PTF/Cu催化剂上的乙烯选择性仅为9.6%。

采用密度泛函理论(DFT)计算的结果表明，由于PTF(Ni)产生高浓度CO，其可为附近Cu位点提供富CO的局部环境，提高了C-C偶联概率，进而提高乙烯选择性。此外，PTF(Ni)/Cu催化剂表现出良好的稳定性，连续电解11 h后仍能保持初始活性。

采用傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)可观察到PTF(Ni)/Cu串联催化剂上的关键中间体*CO和*COCO-，而在PTF/Cu催化剂上则没有观察到，证实PTF(Ni)生成的高浓度CO增加了*CO在Cu纳米颗粒上的中间覆盖度，使得产物从甲烷转变为乙烯。

该研究可为CO2RR反应高选择性生产乙烯等化学品的催化剂设计提供借鉴。