磷化硼纳米颗粒: 用于高选择性电化学还原CO2制备CH3OH的非金属催化剂

电化学催化CO2还原作为一种非常具有前景的人工固碳方式而广受关注。由于CO2电化学还原过程涉及多步质子耦合电子转移过程,所以其还原产物众多。气体产物如CO、CH4,液体产物如甲酸、醇类。这些还原产物中,甲醇有着诸多优势:如能量密度高,常压易储存,能用于直接甲醇燃料电池等。但电催化CO2至CH3OH过程涉及6e-转移,动力学上缓慢。因此设计和发展高效的CO2还原至甲醇的电催化剂仍是目前面临的巨大挑战。目前,高选择性产甲醇电催化剂中,贵金属催化剂由于储量稀少、成本高昂,难于大规模应用。金属基催化剂在使用中存在环境污染的风险。因此,非常有必要设计和发展高选择性电化学还原CO2至CH3OH的非金属催化剂。

电子科技大学孙旭平教授团队,在发展非金属催化剂实现CO2电催化还原制备甲醇方向取得重要进展。采用真空封管法制备磷化硼纳米颗粒。成功的实现了高选择性电催化还原CO2至CH3OH。在0.1 M KHCO3溶液中,当施加还原电位为-0.5 V时(相对于标准氢电极),甲醇法拉第效率高达92.0%。DFT计算结果表明,磷化硼(111)表面能够有效吸附和活化CO2分子。此外,CO和CH2O在磷化硼(111)表面有着较高的脱附能垒,利于实现高选择性CO2至CH3OH转化过程。

相关工作以“Boron Phosphide Nanoparticles: A Nonmetal Catalyst for High-Selectivity Electrochemical Reduction of CO2 to CH3OH”为题,在线发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201903499) 文章通讯作者为电子科技大学孙旭平教授,四川师范大学熊小莉副教授和山东师范大学唐波教授为共同通讯作者。文章第一作者为孙旭平教授课题组联合培养硕士研究生牟世勇,电子科技大学博士研究生吴铜伟和山东师范大学谢俊峰博士为共同一作。