中科院青能所朱佳伟，ACS Nano！

学术 2024-11-30 10:00 广东

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钙钛矿型氧化物具有化学成分多样、晶体和电子结构多样，以及物理化学性质可控等优点，为获得高性能的催化剂用于多种电化学反应提供了显著的平台。利用这个平台，最近已经构建了几种基于Cu的钙钛矿氧化物，并且显示出对电催化CO₂甲烷化的活性和选择性，初步证明了其在CH₄电合成中的潜力。

然而，现有的研究也表明，Cu基钙钛矿氧化物不仅对CH₄的活性和选择性不理想，而且在CO₂电甲烷化过程中经历不可控的重构，导致稳定性差。因此，Cu基钙钛矿氧化物作为催化剂在CH₄电合成中的应用还处于起步阶段，但随着研究的深入，其性能还有很大的提高空间。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所朱佳伟课题组提出了一种自组装和可控的Cu基钙钛矿-碱性氧化物杂化强相互作用界面，以促进有效和稳定的CH₄电合成。作为概念验证，研究人员以典型的La₂CuO₄和CaO为组分相，构建了La₂CuO₄/(CaO)_x (x=0.2、0.4、0.6、0.8和1.2)的杂化体系。这些杂化物表现出可控的CaO相浓度，进而可以调制界面尺寸。

具体而言，随着x值的增加，各组分相的组成和晶体结构保持不变，只有CaO相浓度线性增加，导致界面尺寸的精确的火山形调制。同时，La₂CuO₄与氧化钙组分在界面上紧密连接，形成强烈的界面相互作用，电子从Ca²⁺转移到Cu²⁺。

在CO₂电甲烷化过程中，所制备催化剂对CH₄的活性和选择性与CaO相浓度呈火山型关系，与界面尺寸呈正相关。在这些样品中，界面尺寸最大的La₂CuO₄/(CaO)_0.8对CH₄表现出最优的活性和选择性，并且显示出良好的稳定性，远远优于其物理混合物和文献报道的Cu基钙钛矿氧化物。

此外，实验和理论计算表明，这种性能改善主要归因于自组装诱导的强界面相互作用，这不仅促进了*CO吸附/加氢以促进CH₄的产生，而且稳定了Cu-O键以增强对结构降解的抗性。

总的来说，该项研究证实了强的界面相互作用在提高催化性能方面的重要作用，为设计高效的CO₂甲烷化电催化剂提供了理论依据。

Self-assembled controllable Cu-based perovskite/calcium oxide hybrids with strong interfacial interactions for enhanced CH₄ electrosynthesis. ACS Nano, 2024. DOI: 10.1021/acsnano.4c11459

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