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喜訊：理論計算助力“碳中和”相關研究取得突破性進展《Nature Nanotechnology》

來源：測試GO 時間：2021-09-24 22:11:03 瀏覽：2660次

二氧化碳電催化還原（CO₂RR）制甲酸，可以助力碳中和，并生成高值化學品，受到科研人員的廣泛關注。Cu因其具有高活性、低成本被認為是最具研究前景的CO2RR催化劑,但其對甲酸選擇性較低。近日，大連化學物理研究所肖建平研究員、電子科技大學夏川教授和中國科學技術大學曾杰教授開發(fā)了一種單原子合金催化劑Pb1Cu電催化CO₂轉(zhuǎn)化，其甲酸法拉第效率（FE）高達96%，電流密度（j）超過1A cm^-2。該工作為理性設計新型高效的CO2RR催化劑提供了新策略。

要點：采用環(huán)氧凝膠法制備Cu-Pb前驅(qū)體，在CO₂飽和的KHCO₃電解質(zhì)中，-500mA cm^-2恒電流密度下還原制得Pb1Cu催化劑。球差電鏡（HAADF-STEM）結(jié)合X射線能譜（EDS）顯示Pb1Cu催化劑中Pb以單原子形式分散在Cu中，未發(fā)現(xiàn)Pb團簇或Pb納米顆粒形成。X射線精細結(jié)構(gòu)衍射譜（EXAFS）顯示Pb1Cu催化劑中有Pb-O鍵和Pb-Cu鍵，未發(fā)現(xiàn)Pb-Pb鍵，證明Pb單原子的存在。

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要點：在標準三電極流動相電解池中評價了Pb1Cu催化CO₂RR活性，甲酸是唯一的液體產(chǎn)物。在0.5M KHCO₃電解液和-0.8V電壓下，可達到最高96%的甲酸FE和800 mA cm^-2的甲酸電流密度（j _formate）。在-0.7V~-1.0V電壓之間，甲酸FEs均穩(wěn)定在90%以上。在-1.0V電壓時，其j _formate超過1000 mA cm^-2。在500 mA cm^-2的轉(zhuǎn)化率下，可穩(wěn)定運行20h以上，平均甲酸FE在90%左右。

要點：為了避免電解質(zhì)和液體產(chǎn)物混合，使用質(zhì)子傳導固態(tài)電解質(zhì)設備直接制備純甲酸，陰極利用Pb1Cu催化CO₂RR得到HCOO^-，與陽極產(chǎn)生的H⁺結(jié)合得到甲酸。在全電池電壓范圍，甲酸FE可維持在90%以上。在-375mA，-3.86V下，甲酸FE可以達到94%，相當于0.16M 純甲酸。在-3.45V下，可平穩(wěn)運行180h（甲酸FE> 85%, 電流密度約100 mA cm^-2），具有很好的商業(yè)應用前景。

要點：Cu、Pb及Pb@Cu三種催化劑的甲酸選擇性低，且產(chǎn)物種類較多，體現(xiàn)了Pb1Cu催化劑中單原子Pb對甲酸生成具有關鍵性作用。紅外光譜(ATR-FTIR)和原位拉曼分析發(fā)現(xiàn)Cu催化劑上存在CO*，其來自COOH*。CO*被認為是C-C偶聯(lián)反應的重要中間物種，也可進一步加氫生成其他C1產(chǎn)物。而Pb1Cu催化劑中未發(fā)現(xiàn)CO*，表明其催化CO₂質(zhì)子化會優(yōu)先形成HCOO，而非COOH。

要點：密度泛函理論（DFT）計算發(fā)現(xiàn)CO2RR到甲酸的活性呈現(xiàn)雙火山曲線，該反應存在兩種機理。Cu（211）表面走COOH機理，而單原子合金M1Cu（211）表面（M=Pb、In、Bi）均走HCOO機理，Pb1Cu（211）活性最高，理論計算活性與實驗活性結(jié)果吻合度較高。計算不同電壓下CO₂RR電化學能壘，經(jīng)微觀動力學模擬得到理論反應速率，與實驗測得的j _formate呈現(xiàn)很好的線性關系。

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文章來源：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00974-5

通訊作者簡介：

肖建平，中組部國家青年人才，德國基金會Mercator Fellow。2009年至2013年在德國不來梅大學攻讀博士學位。2013年至2017年先后在中國科學院大連化學物理研究所包信和院士團隊、美國斯坦福大學Jens Norsk?v教授團隊從事博士后研究。2018年在西湖大學任研究員，2019年至今于中國科學院大連化學物理研究所受聘為研究員，擔任理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組組長，主要研究領域為圍繞化學反應相圖、數(shù)據(jù)驅(qū)動機器學習、微觀動力學模擬來對固體催化劑的設計提供指導意見。以通訊作者身份在Nat. Nanotechnol, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Adv. Mater.等國際知名刊物上發(fā)表SCI論文80多篇。

夏川，電子科技大學材料與能源學院教授，國家青年人才。阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）獲得博士學位，曾為哈佛大學羅蘭研究所（Rowland Institute）Research Scholar、萊斯大學博后。研究方向為基于新能源的電催化、電合成、電化學生物合成，致力于實現(xiàn)碳平衡的能量與物質(zhì)循環(huán)。在“液體燃料與基礎化學品現(xiàn)場合成”這一特色方向開展了深入、系統(tǒng)的研究，在反應器與催化劑設計領域均取得豐碩成果。近五年來，以第一作者/通訊作者身份在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Chem.等國內(nèi)外高水平期刊共發(fā)表論文幾十余篇，其中ESI高被引論文9篇，熱點論文2篇。

曾杰，中國科學技術大學教授、博士生導師，國家杰出青年科學基金入選者，國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才，國家重大科學研究計劃青年專項首席科學家，獲安徽省自然科學一等獎、第十屆“侯德榜化工科學技術青年獎”、中科院優(yōu)秀導師獎、安徽省青年五四獎章、中國新銳科技人物等獎項。研究領域為碳一催化。在 Nature Nanotechnol.，Nature Energy，Nature Commun.， JACS，Angew. Chem. Int. Ed.，Nano Lett.，Adv. Mater.， Chem. Rev.，Nano Today等高影響力學術期刊發(fā)表了127 篇論文，總被引用9700余次。25篇論文單篇被引過百次，H 因子為 53。出版書籍三部，申請中國專利 34 項、美國專利4項。

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