CO2還原，既關乎環境，又關乎能源，可謂當今催化領域的最重要議題之一。我們整理了謝毅、韓布興、俞書宏三位院士課題組及其合作者在CO2還原領域的最新進展，供大家學習交流。
合成氣（CO/H2）是生產多種高價值化學品和液體燃料的原料，電化學還原CO2制合成氣前景廣闊。然而，高效制備合成氣仍是一大挑戰。近日，來自中國科學院化學研究所韓布興院士、Qinggong Zhu等發現碳紙上電化學合成的缺陷硒化銦（γ‐In2Se3/CP）該反應性能極高。
研究發現，通過調變電解質[Bmim]PF6和H2O的組成或者改變采用的電位可以有效大范圍調控生成產物CO和H2間的比例（1/3到1/24），且產物僅有CO和H2。當使用納米花狀γ‐In2Se3/CP為電極時，產生CO/H2為1/1時，電流密度可高達90.1mA cm-2。此外，在極低過電位下（220mV）,CO的法拉第效率高達96.5%，電流密度為55.3 mA cm‐2。該催化劑高效的電催化性能主要來源于其上的缺陷、三維結構、催化劑與載體間的相互作用獲得的較多的活性位點、低的電子傳遞阻力、較大的電化學表面積等等。該研究為缺陷高效電化學還原CO2催化劑的設計提供了新的途徑。Dexin Yang, Qinggong Zhu, Xiaofu Sun, ChunjunChen, Weiwei Guo, Guanying Yang, Buxing Han*, Electrosynthesis of defectiveindium selenide with 3D structure on substrate for tunable CO2electroreduction to syngas, Angew Chem, 2019.DOI: 10.1002/ange.201914831https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201914831?af=R
第一作者：Fei-Yue Gao、Shao-Jin Hu高曲率過渡金屬硫族化物納米結構高效電催化CO2還原將CO2電化學還原為高附加值的化學品和燃料可以以化學鍵的形式存儲可再生能源（太陽能，風能等）。在CO2還原反應（CO2RR）產生的眾多產品中，CO特別重要，因為使用H2O作為反應介質實現CO到燃料的轉化在動力學上更有利。但是到目前為止，具有高CO部分電流密度（jCO）（> 200 mA cm-2）和法拉第效率（FE）大于95％的無貴金屬催化劑幾乎未見報道。將CO2轉化為有用燃料的挑戰主要來自將CO2轉化為CO2?或其它中間體的過程，這通常需要貴金屬催化劑，高過電勢和/或電解質添加劑（例如，離子液體）。近日，中科大俞書宏，高敏銳等報道了一種微波加熱策略，用于合成過渡金屬硫屬元素化物納米結構，該結構可以有效地將CO2電還原為CO。
實驗表明，合成的硫化鎘（CdS）納米針陣列在1.2V（相對于可逆氫電極）電壓下電催化CO2RR，具有212 mA cm-2的電流密度，CO法拉第效率為95.5±4.0％。實驗和計算研究表明，具有強的鄰近效應的高曲率CdS納米結構催化劑會產生較大的電場增強作用，這可以濃縮堿金屬陽離子，從而提高CO2的電還原效率。
Fei-Yue Gao, Shao-Jin Hu, Min-Rui Gao*,Shu-Hong Yu*, et al. High‐curvature transition metal chalcogenide nanostructures with profoundproximity effect enable fast and selective CO2 electroreduction. Angew.Chem. Int. Ed., 2019DOI: 10.1002/anie.201912348https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201912348第一作者：Liang Liang、Xiaodong Li、Jiachen Zhang金屬態CoN多孔原子層實現近100％CO選擇性的高效紅外光誘導CO2還原傳統光催化劑光催化還原CO2普遍效率較低，存在光吸收不足、低的本征載流子密度、低的氧化還原反應動力學等缺點。利用導體有望在紅外光CO2還原制燃料領域取得應用。但導體極高的載流子密度易導致強的電子-空穴復合。鑒于此，來自中國科學技術大學孫永福、謝毅、張群等人報道了一種利用超薄多孔結構的導體延長光生電子的策略。
以合成的金屬態CoN多孔原子層為例，研究人員通過同步輻射光電子能譜和紫外可見近紅外光譜研究發現，該催化劑可以在紅外光照射下同時實現CO2還原和H2O氧化。超快瞬態吸收光譜研究首先揭示了紅外光激發的電子經歷了連續的帶內弛豫和帶間重組過程。這兩個過程中光生電子的時間分別增加了9倍和1.6倍，證實了Na2S溶液的加入能有效延長電子的生命周期。金屬態CoN多孔原子層用于紅外光誘導CO2還原獲得了近100%的CO選擇性，且當加入Na2S溶液后，CO釋放速率提高了50倍。這些研究為實現高效紅外光驅動的二氧化碳還原提供了可能性。Liang Liang, Xiaodong Li, Jiachen Zhang,Peiquan Ling, Yongfu Sun*, Chengming Wang, Qun Zhang*, Yang Pan, Qian Xu, JunfaZhu, Yi Luo, Yi Xie*, Efficient Infrared Light Induced CO2 Reduction withNearly 100% CO Selectivity Enabled by Metallic CoN Porous Atomic Layers, NanoEnergy, 2019.DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104421https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128551931136X?dgcid=rss_sd_all
