Small Science: 高效二氧化碳电还原催化剂——对话中南大学刘敏教授

人类社会步入工业化时代以来,大幅度地使用化石燃料,加剧了二氧化碳的排放,造成了全球变暖和海洋酸化等严重的环境问题。由于现在没有可靠的化石燃料替代品,在可预见的未来,化石燃料仍将继续成为我们生活的主要能源物质。为了降低大气中的二氧化碳,研究者们利用各种催化体系将二氧化碳转化成具有高附加值的产品。在这种可持续的“二氧化碳经济”体系中,人们主要通过四种方法将二氧化碳转化为有价值的产品,包括电催化,生物催化,光催化和热催化反应。其中,电催化二氧化碳还原被认为是最具有前景的碳捕获和利用(CCU)策略之一。通过电还原反应可以将二氧化碳直接转化为甲酸、醇类和烃类等产物,该方式主要有以下优势:(1)电催化二氧化碳还原可以在很温和的环境条件下进行,这将利于大规模的产业化;(2)可以通过调节电解池和催化剂的特性来有效地调控产物;(3)转化过程中具有很高的经济效益和可持续性。由于二氧化碳分子具有很高的化学惰性,对高效和低成本的电催化剂的研究引起了人们广泛的关注。近年来很多研究者将金属单原子催化剂应用于高效电催化二氧化碳还原方面的。人们已经设计了诸多单原子催化剂,在该催化剂中以孤立或者耦合形式存在的金属单原子均匀分散在导电载体上,它具备明确的反应活性位点以及最大程度提高原子利用率,而且融合了均相和非均相催化剂的优势。

中南大学刘敏教授课题组于近日在Small Science发表综述性文章,概括了近些年来用于高效二氧化碳电还原的单原子催化剂的研究进展,并着重分析了单原子催化剂的载体种类,金属活性中心与载体的构效关系以及单原子催化剂的调控策略。由于催化剂的金属单原子作为活性中心,它的类型和配位环境直接决定了整个催化剂的选择性以及催化效率。因此可以通过调控两个方面来优化单原子催化剂的二氧化碳电还原性能。(1)调控金属的单原子的种类,该策略主要取决于金属原子对*CO和COOH*等中间产物吸脱附作用。(2)调控配位环境,它主要包括配位原子的种类与个数,以及双单原子策略。通过有效的调控不仅可以改变催化产物的种类,还可以提高产物的法拉第效率,因此单原子催化调控策略不仅利于推广单原子催化剂的使用和宣扬了原子经济理念,而且为高效二氧化碳电还原提供了可靠的现实依据。

最后作者主要从四个方面展望了单原子催化剂用于二氧化碳的前景与挑战。(1)尽管已经单原子催化剂合成方法已经不胜枚举,但是用于稳定金属单原子的不饱和位点通常表现出较差的本征催化性能,这将不利于高效活性位的构建,因此我们迫切需要开发具有可控的局部锚定位点的支撑材料。(2)单原子的配位环境,载体的表面和亚层的原子排列会极大的影响单原子的电子结构,因此SAC的催化性能与载体与单个原子之间的相互作用密切相关。一方面,目前单原子催化剂中载体和活性位之间的电荷和活性物质转移机理尚不明确。另外一方面,我们仍迫切需要能够准确描述活性位点与载体之间的键合机理的通用方法,从而加速具有高性能的新型电催化剂的开发过程。(3)由于孤立活性位点很难独立完成C-C偶联过程,因此目前单原子催化剂的产物绝大部分为C1物质。要想获得具有更高经济价值的多碳产物仍是一个挑战,这显然限制该催化剂的发展。因此开发具有产多碳性能的二氧化碳电还原单原子催化剂将会极大地丰富该催化剂的适用性。(4)在电催化反应过程中,催化剂的性能受到催化剂动态变化的结构和表面化学变化的影响,因此探测活性位点的动态结构演变非常重要。我们需要开发新的更精确的表征技术,以及优化现有的原位技术,用以准确地追踪催化剂的结构演变以及二氧化碳电还原时的关键中间体和产物,从而清晰的了解到单原子催化的反应机理。相关论文在线发表在Small Science (DOI: 10.1002/smsc.202000028) 上。

作者介绍

刘敏,教授,博士生导师,入选湖南省“青年百人计划”,湖南省科技创新平台与人才计划,超微结构与超快过程湖南省重点实验室、粉末冶金国家重点实验室成员。湖南师范大学理学学士、硕士,中科院电工所工学博士。2010-2015年日本东京大学特聘研究员、主任研究员,2015-2017年加拿大多伦多大学博士后,于2017年8月加入中南大学。

近年来在太阳能转换材料、催化材料及器件领域取得了多项创新成果,在Nature, Science, Nature Photonics, Nature Chemistry, Nature Communications, Science Advances , Journal of the American Chemical Society, Advanced Materilals, Angewandte Chemie International Edition, Nano Letters, ACS Nano等国际权威学术期刊上发表论文60余篇,论文他引>7000次,H-因子为40,相关研究成果多次被 Science Daily, Science News, Phys.org, 福布斯等新闻媒体报道。担任10余个国际主要学术期刊审稿人。申请中国、加拿大日本发明专利20余项,其中13项已经授权。

课题组网站:https://minliugroup.wixsite.com/minliu

SMSC: 能否请您介绍下课题组的目前主要研究工作

LM: 我们课题组主要从事催化材料、器件及物理化学机制的研究,从物理机制,例如电场、自旋、原子结构、分子结构出发,设计了一系列新型纳米结构催化材料,并通过原位同步辐射、原位红外光谱等原位手段,结合理论计算,研究催化反应分子吸附、活化、反应过程与催化剂结构及表面的构效关系。研究体系涉及二氧化碳还原,水分解,燃料电池等。

SMSC: 您觉得目前针对CO2还原的高效催化材料研究最大挑战是什么?单原子催化剂将扮演怎样的角色?

LM:CO2还原最大的挑战还是如何高效并稳定地将CO2还原成高值碳氢化合物,这一过程中如何设计具有高效CO2反应分子吸附和活化,以及关键中间产物的锚定和耦合,是关键,以期达到叶绿素类似的高效CO2吸收和高值碳氢化合物的产生。目前来说,能够实现高值多碳产物的催化剂只有金属Cu催化剂,如何提升其中间产物的锚定及耦合,成为了研究热点。同时,寻找具有还原CO2到多碳产物的非铜催化剂也是一个可能的途径。

单原子催化剂因为具有最大化的原子利用率和独特的电子结构,在二氧化碳还原、二氧化碳加氢、甲烷转化等化学反应中受到了广泛关注。单原子催化剂兼具均相催化剂均匀单一的活性中心和多相催化剂结构稳定易分离的特点,将多相催化与均相催化联系在一起,单原子催化剂有望成为沟通多相催化与均相催化的桥梁。单原子精准水平理解CO2还原反应,将有望建立起CO2催化转换与光合作用的联系,实现人工光合成和碳循环。大家可以通过阅读这篇新的综述文章来更多了解些详细的介绍。

SMSC:从场致反应物浓度机制到配位电荷调控,您在研究电化学催化机理方面还有哪些研究兴趣?

LM:场效应和配位电荷调控,在催化剂中具有普适性,我们在将这些普适性的规律进行深入研究和推广以外,我们对反应分子的转变过程有着浓厚的兴趣,同时场效应和电荷局域聚集效应,可以集中和增强光谱信号,为原位光谱手段研究反应分子转变过程,提供了条件和平台。

SMSC: 当您还在上学的时候,是什么把您吸引到科学领域的呢?

LM:大学时期,我上的是师范大学,那时候大家的想法都是出去做一个成功的中学教师。大学毕业之后,有幸留校攻读研究生,导师是刚从日本回来的羊亿教授。实验室刚刚建立的时候,条件比较差,很多东西都需要自己动手去搭建,羊老师强悍的动手能力,让我感受到,自己动手,搭建一个仪器实现某一项功能的快乐,使我从一开始就感受到了科研的快乐。同时羊老师也鼓励我继续攻读博士学位,并努力多出成果,争取将来能够进入高校,成立自己的实验室,指导学生进行科研。

SMSC:您觉得对您的职业影响最大的人是谁?

LM:对我职业影响对打的人是我在多伦多大学时期的导师,Ted Sargent,他是一个做事非常高效的人,总能拨开纷繁复杂的事务表象,抓住事务的关键,一针见血指出问题的本质,化繁为简,高效地解决事情。同时他还教会我们如何进行科研项目申请和科研管理,他不断地提醒我们,当下最主要的事情是什么,如何快速高效全面地解决好主要问题。

SMSC: 您认为什么是科学工作者最重要的品质?您对有志从事科学研究的青年学生有何寄语

LM:我认为科研工作者最终要的品质是逻辑思考能力,在开始一个研究课题的时候能够清楚为什么开始这个研究,明白研究的目的,能够提出实现目的的研究方案;得到实验数据后,能够分析为什么会出现这样的数据,实验数据具有什么样的含义和意义;能够阶段性地总结实验结果,提炼出工作的创新点,能够让数据围绕创新点自圆其说,形成论文,继而进行发表。

对于青年学生,希望他们能够直面自我、敢于挑战。直面自我,是知道自己在研究生涯中想得到什么,锻炼什么样的知识和技能,能够理性面对成功和失败,并能分析和总结成功和失败的经验,进一步向自己的目标前进。敢于挑战,唯有敢于向一流科学家,一流工作挑战学习,才能让工作做得更加完备和优秀,知识和技能更臻备,也才能够有所发展,有所建树。挑战的过程,也是一个认识自己不足,锻炼自己本领,迅速提升自己的过程,同时也是一条进步的捷径。