李亚栋院士&西交大苏亚琼JACS：工程水分子活化中心增强CO2甲烷化！|催化剂|化学|李亚栋|甲烷|甲烷化

研究内容

使用水作为反应介质，以可再生能源为动力将二氧化碳(CO2)电解还原为甲烷(CH4)是储存间歇性可再生能源和解决全球能源和可持续性问题的最有希望的途径之一。然而，水在电解质中的作用往往被忽视。特别是，缓慢的水解离动力学限制了质子供给速率，这严重损害了涉及多个电子和质子转移的甲烷化过程的选择性和活性。

清华大学李亚栋院士和西安交通大学苏亚琼提出了一种合理的策略来设计用于高选择性CO2甲烷化的多中心新型串联催化剂，可有效地将CO2转化为CH4。相关工作以“Engineering Water Molecules Activation Center on Multisite Electrocatalysts for Enhanced CO2 Methanation”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.该催化剂包含Ir单原子(Ir1)掺杂的杂化Cu3N/Cu2O多位点，可有效地将CO2转化为CH4。Ir单原子(Ir1)掺杂策略用于诱导水的亲核攻击，由于丰富的亲电氧物质，这会加速水的解离。同时，结合A位空缺的抗ReO3钙钛矿型Cu3N Cu2O具有良好的水和*CO亲和力，可以进一步优化*CO到*CHO的路线以释放甲烷。

要点2.实验和理论计算结果表明，Ir1促进水分解成质子并供给杂化Cu3N/Cu2O位点，用于*CO向*CHO的质子化途径。

要点3.Ir1掺杂的Cu3N/Cu2O (Ir1-Cu3N/Cu2O)多点催化剂在流通池中的电流密度为320 mA cm-2，-1.3 V vs 可逆氢相比电极（RHE）时，对CH4显示出75%的高法拉第效率(FE)，这大大高于大多数催化剂。

这项工作为高效多位点催化系统的合理设计提供了一种有前景的策略。

研究图文

图1. Ir1-Cu3N/Cu2O NCs的合成和表征。(a)合成方案。砖红、Cu；紫色，Ir；蓝色，N；和红色，O。（b-d）AC HAADF-STEM图像；红色圆圈中的亮点是Ir1。(e) 在EELS元素映射集合上同时获取HAADF图像。

图2. CO2RR性能评估。(a) Ir1-Cu3N/Cu2O、Cu3N和混合Cu3N/Cu2O在1.0 M KOH溶液中的LSV极化曲线，速率：10 mV s-1。各种产品在(b) Cu3N、(c) Ir1−Cu3N/Cu2O和(d) 混合Cu3N/Cu2O上的FE。

图3. CO2RR机制讨论。(a) Ir1-Cu3N/Cu2O的原位XAS表征。Over意味着消除潜力。原位ATRSEIRAS表征：（b）Ir1-Cu3N/Cu2O，（c）Cu3N。(d) Ir1-Cu3N/Cu2O的原位拉曼光谱。

图4. 理论计算：（a）计算Cu3N（100）和Ir1-Cu3N（100）和Cu2O（111）和Ir1-Cu2O（111）的H2O解离过程的ΔG。(b) Cu3N(100)和(c) Ir1-Cu2O(111)上CO2RR到HCOOH的ΔG。(d) Ir1-Cu3N(100)和(e) Ir1-Cu3N/Cu2O上CO2RR对CH4的ΔG。(f) Ir1-Cu3N/Cu2O上CO2RR到CH4的拟议反应机理。空心的白色圆圈代表N或O空位。绿色，K；砖红，Cu；紫色，Ir；蓝色，N；红色，O；灰色，C和白色，H。

文献详情

Engineering Water Molecules Activation Center on Multisite Electrocatalysts for Enhanced CO2 Methanation

Shenghua Chen, Zedong Zhang, Wenjun Jiang, Shishi Zhang, Jiexin Zhu, Liqiang Wang, Honghui Ou, Shahid Zaman, Lin Tan, Peng Zhu, Erhuan Zhang, Peng Jiang, Yaqiong Su,* Dingsheng Wang, Yadong Li*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c03875

作者简介

苏亚琼，博士，1989年11月出生于河南省上蔡县。西安交通大学化学学院研究员，principal investigator (PI)，博士生导师。2014年获厦门大学物理化学专业硕士学位，2019年1月获埃因霍温理工大学催化专业博士学位。2017年10月至2018年3月担任美国特拉华大学访问学者。2018年9月至2019年12月担任埃因霍温理工大学博士后，2020年1月至2022年12月担任埃因霍温理工大学客座研究员。2020年1月至2020年8月担任厦门大学iChEM-2011能源材料化学协同创新中心访问学者。2020年7月，入选西安交通大学“青年拔尖人才支持计划”。

主要研究方向为计算能源催化/材料和界面电化学/表面增强拉曼光谱理论。主要通过第一性原理，分子动力学，以及机器学习，蒙特卡罗等算法，致力于异相催化表界面结构敏感性及活性的理论计算研究。截至目前，已在Science, Nature Catal., Nature Comm., JACS, Angew, Energy Environ. Sci., Chem. Sci., ACS Catal. Chem. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., J. Catal., Small, J. Mater. Chem. A, ChemSusChem, Science Bull.等学术期刊发表文章100余篇。