哈工大&加州理工JACS：金铁核壳结构纳米粒子实现超高质量活性还原CO2

【引言】

将CO₂还原为CO、甲烷等碳基能源材料既可以降低大气中CO₂的浓度，也可以得到再生能源，考虑到风能、太阳能等做为电能来源，电催化还原CO₂被认为是CO₂资源化最有发展前景的一种转化技术，并且受到国内外科研人员的广泛关注。研究表明，金基催化剂可以高选择性的将CO₂还原为CO，然而其高昂的价格与较差的稳定性等缺点限制了其工业化应用的进程。因此，在催化剂中减少贵金属Au的用量，进一步提高催化剂的质量活性成为解决问题的关键所在。

本研究采用理论计算与实验相结合的方式，成功制备了高活性催化剂，对于其他催化剂设计及研发具有重要指导意义。

【成果简介】

北京时间10月9日，哈尔滨工业大学王志江副教授，加州理工学院William A. Goddard教授(共同通讯作者)等人在Journal of the American Chemical Society上发表了最新研究成果“Ultrahigh Mass Activity for Carbon Dioxide Reduction Enabled by Gold−Iron Core−Shell Nanoparticles”。该团队报道了Au-Fe核壳结构纳米粒子对于电催化还原CO₂为CO具有超高的质量活性与稳定性，鉴于研究成果的重大意义，该论文被选为封面文章。

【本文亮点】

研究团队首先利用理论计算，建立以*CO和*COOH中间体结合能为主要指标的筛选原则，从20余种Au-Metal双元合金种类中，筛选出Au-Fe合金体系，并采用溶剂热合成法制备了Au-Fe核壳结构纳米催化剂。该种催化剂在-0.4 V电压下将CO₂转化为CO的法拉第效率高达97.6%，质量比活性高达48.2 mA/mg，将Au纳米粒子催化剂质量活性(0.5 mA/mg)提高近100倍。该纳米催化剂连续进行90小时的电催化反应，电流密度几乎未见衰减，显示了高稳定性。通过同步辐射X射线吸收谱和理论计算，明确了合金纳米粒子表面存在大量的空位缺陷，这些缺陷极大提高了电催化还原CO₂的催化性能，次外层的Fe稳定外层Au壳层的缺陷，表层缺陷和次外层Fe层协同作用使Au-Fe核壳结构纳米材料具有优异的催化活性和稳定性。该项研究对于新型催化剂设计、以及CO₂电催化还原工业化推广具有重要意义。

【图文导读】

图1. (A-D)CO₂还原反应在Au-金属(M)二元合金的反应步骤

(E)20种Au-金属(M)的*COOH与CO形成能。(M为第四周期和第五周期过渡金属)

图2. (A)Au-Fe合金纳米粒子表层Fe溶解变成Au-Fe核壳结构纳米粒子的结构变化示意图

(B-D)Au-Fe合金纳米粒子TEM照片与元素map图

(E-G)Au-Fe核壳结构纳米粒子TEM照片与元素map图

图3. Au-Fe核壳结构纳米粒子、Au纳米粒子与Au箔还原CO₂为CO的性能

(A)法拉第效率 

(B)电流密度 

(C)质量活性 

(D)90h稳定性

图4. (A)CO₂在带有缺陷的表面示意图

(B)*COOH在带有缺陷的表面示意图

(C)*COOH分别在纯Au、Au-Fe核壳结构纳米粒子和带有缺陷的Au-Fe核壳结构纳米粒子上的形成能

【工作小结】

该研究应用理论计算，从20中金属中筛选出Fe与Au进行合金化用于CO₂还原。Au-Fe合金纳米粒子表面的Fe溶解后，形成的Au-Fe核壳结构纳米粒子展现了优异的CO₂还原性能，在-0.4V的电压下几乎完全抑制了析氢反应。Au-Fe核壳结构纳米粒子的质量活性高于Au纳米粒子近100倍，达到48.2mA/mg。另外，该核壳结构催化剂经过90小时的稳定性测试，其催化性能几乎没有衰减，理论计算表明次外层的Fe稳定外层Au壳层的缺陷，表层缺陷和次外层Fe层协同作用使Au-Fe核壳结构纳米材料具有优异的催化活性和稳定性。该项研究对于新型催化剂设计、以及CO₂电催化还原工业化推广具有重要意义。

文献链接：Ultrahigh Mass Activity for Carbon Dioxide Reduction Enabled by Gold–Iron Core–Shell Nanoparticles（JACS,2017,DOI:10.1021/jacs.7b09251）

本文由孙堃博士提供。

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