Small Methods:理论与实际相结合——开发高效二氧化碳电还原过渡金属催化剂

二氧化碳(CO2)电化学还原是一种极具前景的CO2减排应用技术。开发具有高选择性的CO2还原阴极材料是这项技术的重中之重。其关键是合理调控催化金属表面与反应中间体之间的作用力。由于目前催化剂实际开发与催化理论计算研究之间不能建立有效的联系,所以大部分催化剂开发还是基于效率低下的试错方法。

近日,南昆士兰大学的葛磊研究院和昆士兰大学Thomas Rufford教授等人合作在Small Methods上发表综述性文章(Towards Excellence of Transition Metals-based Catalysts for CO2 Electrochemical Reduction: An Overview of Strategies and Rationales, 2020),通过总结归纳在用于CO2还原的过渡金属催化剂方面取得实验以及理论方面的研究成果,试图减小理论与实际之间的鸿沟,探索行之有效的策略和方法来利用理论研究的成果来指导实际催化剂开发。

总的来说,过渡金属催化剂材料的开发是通过(1)调控表面金属的电子结构和(2)调控反应中间体的吸附几何构型(adsorption geometry)来影响催化剂以及反应中间体的相互作用力。而表面金属电子结构和反应中间体吸附几何可以通过(1)调控金属原子之间的距离和(2)在表面或者体相引入不同化学元素来实现。两者既可以影响过渡金属的d带中心(d band centre)以及泡利不相容作用力(Pauli repulsion),也可以影响中间体表面吸附的几何构型。实际催化剂策略中,选择性控制催化剂表面晶面,引入应力,控制催化剂的尺寸和维度都可以控制金属表面的原子间距;表面功能化,合金,引入硫属元素,分子分隔金属(molecular scaffold),氧化物衍生,体相掺杂等都可以引入不同元素。该综述从实验和理论的角度讨论每个催化剂设计策略的进展,并且提供了具有实际指导意义的过渡金属理论成果,比如理想密堆积过渡金属的d带中心以及pauli repulsion作用力的相对大小指导金属类型选择,金属合金相分离能量大小用于预测合金相的溶解度以及分布情况,利用https://materialsproject.org/来生成各种金属的甫尔拜图(Pourbaix diagram)用于预测氧化物衍生物在一定电压和pH下的热力学价态及化学组成等。该综述在结论部分展望了未来高效电催化剂设计策略,并总结提出了电催化剂理论与实验方面存在的挑战与机遇。

该论文的第一作者是昆士兰大学李梦然博士。相关工作发表在Small Methods(DOI:10.1002/smtd.202000033)上。