近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授吳長征實驗課題組和工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系教授吳恒安理論計算課題組合作，將電催化活性金屬溶解于熔融態(tài)鎵中，實現(xiàn)了非均相催化劑表面活性位點的均相化，將二氧化碳還原產(chǎn)物甲酸的選擇性提高到95%以上。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-催化》（Nature Catalysis 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00576-3）上。

非均相催化劑由于存在各種缺陷、臺階、轉(zhuǎn)角、晶面等，表面的活性組分處于不同的局域配位環(huán)境，導(dǎo)致出現(xiàn)多活性位點并存現(xiàn)象及由此造成產(chǎn)物選擇性下降。然而，均相催化劑由于活性中心單一、結(jié)構(gòu)簡單明晰、在產(chǎn)物選擇性及用作反應(yīng)機理研究模型方面具有優(yōu)勢，因此，將非均相催化劑均相化有望成為催化性能提升和反應(yīng)機理研究的關(guān)鍵途徑。

針對上述問題，吳長征團隊將近室溫熔融的金屬Ga作為具有二氧化碳還原電催化活性的Sn和In的基底，從新的角度實現(xiàn)了Sn和In非均相催化劑的均相化。原位結(jié)構(gòu)表征和第一性原理分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，固態(tài)時，Sn和In形成了相分離的納米團簇，均勻嵌入在固態(tài)Ga基質(zhì)中；液態(tài)時，Sn和In以單原子形式游離分散在熔融態(tài)Ga中。進一步的電子結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，和固態(tài)Ga相比，負載在液態(tài)Ga中的活性中心具有顯著增強的還原性，使二氧化碳還原產(chǎn)物甲酸的選擇性由固態(tài)時的30%左右提高到液態(tài)時的95%以上，析氫副反應(yīng)得以明顯抑制。此外，液態(tài)合金由于具有良好的氧化還原可逆性及表面組分的可流動性，表現(xiàn)出自修復(fù)特性，其催化穩(wěn)定性得以顯著改善。

該研究探索了液態(tài)材料作為非均相催化劑負載基底方面的可行性，為非均相催化劑均相化提供了一種新的表界面合成思路。中國科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院特任副研究員劉鴻飛和工程科學(xué)學(xué)院博士后夏駿為論文的共同第一作者，吳長征為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金重大項目的資助。

論文鏈接

Ga-Sn和Ga-In合金固態(tài)和液態(tài)時的原子/電子結(jié)構(gòu)以及催化性質(zhì)對比