近日，中國科學技術大學曾杰教授團隊聯合悉尼大學李逢旺教授團隊，在強酸性條件下二氧化碳電還原研究中取得重要進展。研究人員通過在鉍催化劑表面固定含氮唑類有機分子層，實現了對界面氫源類型的動態調控，顯著提高了強酸環境中二氧化碳還原制甲酸的選擇性。相關成果以“Immobilized Azole Layer Tunes Interfacial Hydrogen Source for CO2Electroreduction in Strong Acid”為題，8月27日發表于《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)。
 

　　實現強酸條件下二氧化碳電還原反應的高選擇性，是解決“碳酸鹽形成”問題的關鍵途徑，但其面臨析氫反應的激烈競爭。氫源類型(氫離子或水分子)對反應路徑的影響機制尚不明確。在本研究中，研究人員設計了一種固定在鉍催化劑表面的功能化三氮唑修飾層，可在pH = 0.4的強酸環境中根據電位變化動態調節界面氫源。在–300毫安每平方厘米、pH = 0.4的條件下，鉍-三氮唑催化劑的甲酸法拉第效率達到36%，遠高于未修飾鉍催化劑的不足10%(圖1)。
 

圖1.強酸性環境下二氧化碳還原制甲酸的反應性能
 

　　實驗與模擬結果表明，有機分子層具有雙機制作用：在低電位、高局部氫離子濃度條件下，質子化的有機層可作為質子中繼并靜電排斥體相氫離子；在高電位、低局部氫離子濃度條件下，去質子化的有機層破壞界面水氫鍵網絡，抑制格羅特斯型質子傳輸，從而使氫源由氫離子轉向水分子，顯著抑制析氫反應(圖2)。該項研究通過動態響應的功能有機分子層實現了對氫源類型的主動調控，深化了對強酸環境中二氧化碳電還原界面過程的理解，為在苛刻酸性環境中提升二氧化碳還原選擇性提供了一種新思路。
 

圖2.反應機理研究
 

　　該項研究受到科技部、國家自然科學基金委、中國科學院等項目資助。曾杰、李逢旺為該論文的共同通訊作者，中國科學技術大學博士生石耀輝和悉尼大學博士后楊雨為共同第一作者。