中国科学技术大学高教授团队通过激光辐照合成矿物结构

由可再生电力驱动的二氧化碳/二氧化碳转化为化学品/燃料是一种有前途的碳转化技术。 近日，中国科学技术大学高敏敏教授团队通过激光辐照合成了铜硝石[Cu2(OH)3NO3]的矿物结构，并将其作为电催化一氧化碳还原反应（CORR）的前驱体，衍生出富堆垛层错的铜催化剂。

近年来，人们进行了大量的研究工作来设计多相催化剂，以在碱性或中性介质中有效地将CO2转化为多碳产物。 然而，高pH环境会导致碳酸氢盐/碳酸盐的形成，导致碳效率/CO2利用率降低。 在酸性电解液中进行CO2RR可以解决CO2损失的问题； 然而，在酸性介质中容易发生析氢反应（HER），导致CO2RR的选择性较低。 上述问题可以通过串联电解来解决，即首先将CO2还原转化为CO，然后利用CO2RR生成C2+产物。 在各类C2+产品中，醋酸市场广阔，年产能超过1800万吨，广泛应用于聚合物、医药、食品等领域。 目前，工业上乙酸的生产是通过甲醇和CO的热羰基化来进行的。然而，该过程会排放大量的CO2。 过去几年，CO2RR相关的乙酸生产研究取得了重大进展。 为了进一步降低成本，研究人员需要开发更高效的铜基催化剂来促进CO稳定生成乙酸。

激光辐射合成方法可以在液相中实现高温、高压和离子密度，类似于早期地球的环境，因此可以制备一些难以获得的矿物结构。 中国科学技术大学高敏敏教授团队利用该方法制备了铜硝石Cu2(OH)3NO3，并将其作为CO2RR的前驱体。 实验和理论计算结果表明，Cu2(OH)3NO3在还原电位下经历了严重的结构重构，产生了具有高堆垛层错密度的衍生铜催化剂(GD-Cu)。 原位光谱表征和DFT理论计算表明，堆垛层错作为结构缺陷使Cu的d带中心向上移动，增加了d电子向*CO的2π*反键轨道的捐赠，从而加强了*CO的吸附。 提高 *CO 覆盖率。 催化剂表面较高的 *CO 覆盖率促进反应通过 *CO-COH→*C=C=O 途径转化为乙酸。 在400 mA cm-2电流下，GD-Cu对乙酸产物的选择性达到56%，乙酸分电流密度为222 mA cm-2。

图 1. 催化剂制备和表征。

图 2. 原位光谱表征。

该结果最近发表在《J. Am》上。 化学。 苏克。 文章第一作者为中国科学技术大学博士生吴志正、博士后张小龙、博士生杨芃芃、牛壮壮。

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作为一个到一个CO-到-

吴志正、张小龙、杨鹏鹏、-牛、高飞跃、张育才、迟丽萍、孙树萍、静文、卢普甘、叶成李和高敏瑞*

J. Am. 化学。 社会学会，2023，DOI：10.1021/jacs。

关于作者

高敏敏，中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者。 2012年获得中国科学技术大学博士学位，师从于树红院士。 2012年至2016年在美国特拉华大学、阿贡国家实验室、德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所从事博士后研究。 入选国家高层次人才计划青年项目（期末考核优秀）、科睿唯安（ ）和爱思唯尔（）中国高被引学者名单。

研究方向基于无机纳米材料结构的可控合成和优化，实现清洁氢和高附加值燃料分子中可持续电能的高效、廉价存储和转换。 自从事职业生涯以来，已发表通讯作者论文40余篇，其中包括Chem. 苏克。 修订版 (1)，附件。 化学。 资源。 (1)、纳特。 加塔尔。 (1)，科学。 副词。 (1)、纳特。 。 (8)，JACS (8)，安吉。 化学。 (8)、EES (3) 和高级。 马特。 曾获中国科大海外校友基金会青年教师职业奖（2021年）、燃料之星奖（2021年）、中国科技新锐人物（2020年）、RSC JMCA（2020年）、“杰出青年教师奖”等。香港求是基金会青年学者奖（2018）。 ）、中国科学院优秀博士论文（2014年）、中国科学院院长特别奖（2012年）等奖项。 现任中国青年科技工作者协会理事（2020-）。

第一作者简介：吴志正，中国科学技术大学微尺度国家研究中心博士研究生，导师为高敏敏教授。 2019年毕业于中国地质大学（武汉），获工学学士学位。2019年至今在中国科学技术大学攻读博士学位。 主要从事铜基纳米催化剂的设计与制备以及二氧化碳/一氧化碳电还原方面的基础科学研究。 发表论文11篇，其中第一/共同作者发表论文4篇：J. Am. 化学。 苏克。 (2),. 科学。 (1)、燃料(1)。 参与为“爱思唯尔出版社”撰写英文章节1篇。 曾获研究生国家奖学金（2021、2022）、德创奖学金、合肥国家微尺度物理科学研究中心研究生学术论坛二等奖。

科研思路分析

问：激光照射制备纳米材料有哪些优点？

答：激光制备绿色环保、操作简单、适用性广泛。 通过将高能激光聚焦到反应系统中，可以在很短的时间内产生纳米颗粒。 它可以在多种环境中使用，包括但不限于空气、水和各种溶液。 激光辐射威力强大。 除上述纳米材料的制备外，还具备可编程图案化、高精度加工等能力铜密度，可在器件设计和高精度制备领域崭露头角。 因此，激光辐射在材料制备、改性和加工方面具有巨大的潜力。

问：本次研究选题的初衷是什么？

答：前期研究表明，*CO的表面覆盖度不仅影响碳碳偶联动力学，而且对产物的选择性也起着重要作用，即高*CO覆盖度有利于形成乙酸产品，而低*CO覆盖率有利于乙酸产品的形成。 *二氧化碳覆盖有利于乙烯生产。 基于此，我们希望从催化剂结构设计的角度提高*CO在催化剂表面的覆盖率。 缺陷位点由于配位数较低，可以促进*CO的吸附。 因此，我们通过原子重排诱导丰富的缺陷位点。 经过研究发现，铜硝石由于热力学稳定性低、晶胞参数大，在还原过程中会发生严重的重构。 最后我们选择它作为催化剂的前驱体。