研究揭示了控制二氧化碳还原催化剂的新方法

弗里茨哈伯研究所界面科学系的研究人员最近在《自然通讯》上发表了一项研究，介绍了应对气候变化的新进展。他们的研究“氮掺杂碳上的可逆金属簇形成，以亚纳米精度控制电催化剂粒径”，展示了一种理解二氧化碳 (CO 2 ) 再利用机制的新方法，从而产生燃料和化学品。这项工作为进一步优化由可再生电力驱动的催化过程铺平了道路。

这一发现的核心在于由超分散的铜和氮原子掺入碳中而形成的催化剂的有趣特性。在电催化 CO 2还原 (CO 2 RR) 过程中，该过程用于将 CO 2转化为有用的化学物质，这些催化剂可以动态地从单个原子形式的铜转变为形成小簇和金属颗粒(称为纳米颗粒)，然后一旦施加的电位升高或变为更正的值，又会变回原样。

对这种可逆转变的控制为控制催化剂结构提供了关键，从而控制了 CO 2 RR 过程的结果，因为产品选择性在很大程度上取决于催化剂的结构。

控制催化剂颗粒的尺寸和结构的能力解决了扩大 CO 2 RR 技术实际应用的重大挑战。以前，不同反应产物的分布范围很广，因此很难高效地生产特定的工业相关化学品和燃料。

这项研究提供了一种通过操纵催化剂状态来精确控制 CO 2 RR 产物分布的方法。此外，所开发的工艺使研究人员能够了解催化剂的哪些结构特征负责生成特定的反应产物。

该技术涉及交替电脉冲。需要施加负(阴极)电位来驱动 CO2转化，但它也会诱导铜纳米颗粒的形成。随后的更正(阳极)电位脉冲反过来会逆转这一过程，将纳米颗粒分解回单个原子。

通过改变这些脉冲的持续时间，研究人员可以控制形成的纳米颗粒的尺寸，并控制催化剂是否主要以单个原子、超小金属簇或更大的金属铜纳米颗粒的形式存在。每种形式的催化剂更适合生产不同的 CO 2 RR 产品。例如，单个铜原子对氢气生产效率高，小簇有利于甲烷，而较大的纳米颗粒最适合生产乙烯。

为了实时监测和调整催化剂的转化，该团队使用了原位快速X射线吸收光谱法。这种先进的同步加速器技术使科学家能够以亚秒级时间分辨率观察催化剂在反应过程中的变化，确保所需 CO 2 RR产品的最佳条件。

这项研究不仅让我们更深入地了解了催化剂的行为和操作过程中可能发生的剧烈结构转变，还揭示了二氧化碳还原反应 (CO 2 RR)，展示了控制催化剂的结构如何影响该过程。

虽然该研究强调了温室气体减排和绿色化学品及燃料生产技术应用的潜在途径，但它主要是科学研究的重大进步，为该领域未来的发展奠定了基础。