第一作者：Hongxia Wang, Yan-Kai Tzeng, Yongfei Ji.
通讯作者：崔屹、朱棣文、谭天伟、Karen Chan
通讯单位：斯坦福大学、北京化工大学、SLAC国家加速器实验室
 
研究亮点：
1. 发展了一种Cu-氮掺杂纳米钻石的新型催化界面。
2. 实现了CO2还原制C2产物的优异催化性能。

碳中和能源转化过程对全球气候变化和能源问题至关重要。开发CO2还原制高价值化学品催化剂，是能源和环境领域极富前景，也极具挑战的关键议题。电化学还原方法由于其操作简便，环境温和，性能优越等优势，越来越多地在CO2还原还原占据主要地位。
 
对于大多数CO2还原催化剂而言，一般产物往往是CO或者HCOOH等C1产物，近来才慢慢出现可在中性水介质中实现多碳类（C≥2）高附加值化学品的催化剂。这些催化剂普遍存在一个问题，就是所采用的电势过低，一般-0.9V（vs RHE）或者更低。另外，收率不高，长期稳定性不佳等问题比比皆是。
 
有鉴于此，斯坦福大学崔屹团队携手诺奖得主朱棣文教授，北京化工大学谭天伟教授等人，报道了一种基于铜纳米颗粒的高选择性高稳定性的催化界面设计策略，用于非均相催化CO2制备C2高价值化学品。

图1. 材料制备示意图
 
研究人员构建了一种氮掺杂纳米钻石/Cu纳米颗粒界面。之所以构建这种界面，一方面是因为，现有CO2还原催化剂中，铜基纳米催化剂无疑是最出色的一种。另一方面，氮掺杂的纳米钻石成本低，电化学活性高，表面积大，而且具有㐛的化学稳定性。除此之外，氮掺杂的纳米钻石含有大量N-sp3 C组分，前人研究发现其对电催化活性至关重要。因此，研究团队希望能通过构筑多组分界面，来协同实现C-C成键的更多可能性。

图2. N-ND/Cu电极材料表征
 
研究表明，催化制备C2产物的法拉第效率为63%左右（-0.5 V，RHE），这种催化剂意外地表现出无与伦比的高稳定的催化性能，120 h后仅有19%活性衰减。DFT计算表明，CO在Cu/纳米钻石界面的结合力增强，抑制CO脱附。通过降低CO二聚化的表观能垒，促进C2产物的生成。对催化剂本征组成和电子结构的调控，实现了对催化界面，以及反应热力学和动力学的最大限度的优化。

图3.DFT计算
 
总之，这项研究为CO2还原制高价值化学品催化剂的设计提供了全新的思路，为CO2还原制高价值化学品带来了更多可能。
 
参考文献：
HongxiaWang et al. Synergistic enhancement of electrocatalytic CO2reduction to C2 oxygenates at nitrogen-doped nanodiamonds/Cuinterface. Nature Nanotechnology 2020.
https://www.nature.com/articles/s41565-019-0603-y

消息来源——微信公众： 纳米人