近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室教授姚濤團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)教授夏寶玉團(tuán)隊(duì)、新西蘭奧克蘭大學(xué)博士王子運(yùn)，綜合利用多種同步輻射原位技術(shù)，在質(zhì)子交換膜（PEM）二氧化碳轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究中取得了進(jìn)展。2月1日，相關(guān)研究成果以Durable CO2?conversion in the proton-exchange membrane system為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。

開發(fā)各種碳中和技術(shù)，對(duì)于解決能源與環(huán)境問題具有重要意義。基于PEM技術(shù)的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化（CO2RR）由于可生產(chǎn)高附加值化學(xué)品和燃料，且可大電流、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)化碳轉(zhuǎn)換較有前景的方式之一。而利用同步輻射大科學(xué)裝置的多種先進(jìn)表征技術(shù)研究催化劑在服役狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)演變和反應(yīng)機(jī)理，對(duì)于開發(fā)酸穩(wěn)定的碳轉(zhuǎn)換催化劑和膜電極系統(tǒng)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

該研究利用再生鉛催化劑（r-Pb）在寬pH范圍內(nèi)取得了較高的CO2RR活性，在2.2 V壓下、連續(xù)工作5200小時(shí)的條件下產(chǎn)生甲酸的法拉第效率超過93%，電流密度達(dá)到600 mA/cm2。

為厘清r-Pb催化劑在CO2RR反應(yīng)中的真實(shí)活性結(jié)構(gòu)，該研究發(fā)展并自研了適用X射線吸收譜的膜電極CO2RR原位裝置，分別在合肥光源軟X射線磁性圓二色線站和北京光源XAFS線站開展了離線和原位表征。原位X射線吸收譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)，r-Pb在CO2RR的還原電位下發(fā)生了由Pb/PbSO4向Pb/PbCO3的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演變，金屬態(tài)Pb與PbCO3在還原電位下一定比例的共存是最終產(chǎn)生甲酸高選擇性和活性的關(guān)鍵因素。研究進(jìn)一步基于合肥光源原位紅外譜學(xué)技術(shù)，基于自研原位紅外裝置，采用13C同位素標(biāo)記的13CO2開展了CO2RR的原位紅外研究，發(fā)現(xiàn)PbCO3表面的氣態(tài)CO2會(huì)首先經(jīng)過表面活化過程進(jìn)入PbCO3晶格，再由晶格中的C轉(zhuǎn)換成最終的HCOOH產(chǎn)物，結(jié)合DFT理論計(jì)算揭示了r-Pb催化劑的固相動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)晶格碳活化和CO2轉(zhuǎn)化機(jī)理。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的資助，并獲得國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、北京光源和上海光源的同步輻射機(jī)時(shí)支持。

論文鏈接

再生鉛催化劑膜電極CO2RR的活性與穩(wěn)定性

質(zhì)子交換膜原位測(cè)試裝置及同步輻射X射線吸收譜表征

同步輻射原位紅外探測(cè)