電催化二氧化碳還原領域研究獲重要進展

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在國家自然科學基金、博士后創新人才支持計劃等項目的支持下，華南師范大學化學學院蘭亞乾教授團隊近日在電催化二氧化碳（CO2）還原領域取得了重要研究進展。相關研究發表于Angewandte Chemie International Edition。華南師范大學化學學院博士后王藝蓉為該論文第一作者。

CO2電還原反應（CO2RR）可以通過可再生電力將CO2轉化為有價值的化學品或燃料，同時緩解能源危機，實現全球碳平衡。然而，CO2RR的實施仍然需要克服陽極析氧反應（OER）緩慢的動力學并且需要消耗大量的電量（約占總輸入能量的90%），這將導致整個系統的高能耗、低選擇性和低能量轉換效率。

因此，需要找到一種熱力學和動力學上更有利的氧化反應來取代OER，以提高CO2RR系統的能量轉換效率，并生成能耗較低的高價值化學品。甲醇氧化（MOR）具有比OER更低的陽極過電位，可以替代OER與CO2還原反應耦合來降低整個電解反應系統的電耗量。此外，將光能和熱能引入電催化反應體系中可以影響光敏電催化劑的電子性能，從而改變CO2還原和甲醇氧化的活性和選擇性。

該工作設計合成了一種雙功能COF催化劑（Ni-2CBpy2+-COF），并成功地將其應用于高效光熱輔助的電催化CO2還原耦合甲醇氧化反應，在電極兩側同時生成高價值的化學品。

實驗結果表明，Ni-2CBpy2+-COF作為雙功能催化劑可用于高效光熱輔助的電催化CO2還原耦合甲醇氧化反應。在1.9V的槽電壓下，陰極CO和陽極HCOOH的FE可達到~100%，同時節省了~31.5%的電耗量。具有類紫精性質的2CBpy2+單元可以作為電子轉移媒介加速催化劑與中間物之間的電荷轉移，并產生較強的光熱效應（ΔT = 49.1°C），從而提高整個反應的動力學和目標產物的選擇性。

該研究工作為CO2RR與有機分子氧化反應耦合系統的設計在提高總能量轉換效率和生成增值化學品方面開辟了廣闊的前景，有助于電催化CO2RR的實際應用過程。