来源 | 上海交通大学
近日，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心蒋昆副教授课题组在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表题为“Electrifying HCOOH Synthesis from CO2 Building Blocks over Cu-Bi Nanorod Arrays”的研究论文，实现了二氧化碳温室气体在常温常压下直接电催化合成高纯甲酸化学品。2022级博士研究生张贵儒为论文第一作者，蒋昆副教授、兰州大学张泽明研究员、韩国西江大学Seoin Back教授为通讯作者。
利用可再生能源将二氧化碳电化学转化为高附加值化学品和液体燃料是一种极具潜力的构筑碳中性能量与物质循环的方法。在所有电合成化学品中，甲酸（HCOOH）产物兼具最佳的热值和经济可行性，但CO2到HCOOH的增值转化过程在很大程度上受限于高过电位带来的低能量转化效率，以及产物从电解质盐中分离的高能耗下游工艺。
对此，蒋昆团队基于多尺度优化的Cu-Bi纳米棒阵列阴极结构，在固态电解槽中实现了常温常压下高效的HCOOH精准电合成，暨原子尺度上由Cu-Bi合金化作用来调节CO2还原中的甲酸根路径和一氧化碳路径，在介观尺度上通过尖端诱导的局部场强作用来稳定具有大偶极矩的*OCHO中间体，进而在器件规模上稳定生成>99.8%超高纯度的HCOOH溶液。在催化材料设计上，以铜铋氧三元纳米棒阵列为催化剂前驱体，通过电化学原位X射线衍射谱和计算Pourbaix图追踪了Cu-Bi纳米棒阵列的生成过程；在反应机制上，通过二维反应相图、有限元分析和晶体轨道哈密顿布局分析揭示了Cu在Bi金属表面的掺杂作用和局部场强作用对于η2(O,O)-OCHO关键中间体吸附能及相关反应路径的关键调控机制；在200小时的连续器件测试中，最终实现了CO2到HCOOH精准电合成过程39.2%的能量转化效率。
该工作不仅揭示了二氧化碳精准转化的调控机制，还为更多电合成系统中活性和选择性的优化策略提供了新的研究范式。该研究的合作单位包括上海交通大学变革性分子中心、溥渊未来技术学院，宁夏大学化学化工学院，西湖大学物质科学平台，上海大学化学系和复旦大学化学系。研究工作得到科技部十四五重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、上海市科委“科技创新行动计划”等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2400898121
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