福建物构所Angew. 丨导电MOF实现高效CO2电化学甲烷化

近年来，利用电化学还原的方法，将CO2分子转化为各种高附加值产物（比如CO, CH4, C2H4, C2H5OH等）得到越来越多研究者的关注。在CO2电还原的产物中，甲烷（CH4）是天然气的主要成分和重要的工业原料，还可以作为燃料电池的原料，具有重要的实用价值。但是由于从CO2到CH4，需要经过八电子转移过程，反应路径长，动力学速率缓慢，导致目前还难以实现很高的CH4选择性和电流密度。如何设计高效的催化剂实现从CO2到CH4的高选择性转化是一个挑战。

近日，中科院福建物构所结构化学国家重点实验室曹荣和黄远标团队和柴国良研究员合作，在科技部重点研发专项计划、国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项、前沿科学重点研究项目、中科院青促会优秀会员项目资助下，在含有周期性排列的Cu-O4结点的导电Cu-MOF上通过电还原处理，成功在导电MOF基底上原位构筑了均匀分布的单一类型的Cu2O(111)量子点，并通过释放的羟基稳定中间体，从而实现了将CO2高效的转化为CH4，选择性最高达73%。通过导电性测试，证实电化学处理前后的材料均具有优秀的导电性，可以加速电子的转移过程，从而让CO2到CH4的8电子转移路径能够畅通运转。通过设计对照实验结合理论计算分析，证明氢键的形成确实能很好地稳定特定的中间产物，从而显著提高CH4的选择性。

该工作揭示了氢键的引入在CO2电还原过程中的重要作用，同时也证明设计单一活性位点可以有效提高特定产物的选择性，为后续设计合成催化剂，实现特定产物的高选择性，提供了新的思路。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23641–23648上（VIP文章），并被选为卷首插画。该工作也得到了一些科技媒体的关注和报导，如WileyChem, X-MOL, 催化剂，纳米人，科学温故社等。文章共同第一作者为伊俊东博士后和解瑞宽博士后。

此外，该团队近期在导电COF材料上电催化CO2还原取得了系列进展，极大的提高了电流密度，如在卟啉基COF上引入四硫富瓦烯(ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005，科匠学术，新材料资讯)，D-A异质结结构（Small 2020, 2004933, MaterialsViews，能源学人，能源转换与存储），完全共轭平面酞菁结构（Small 2020, 2005254, 能源学人，邃瞳科学云，催化剂）。设计三嗪卟啉基框架(CCS Chem. 2019, 1, 384)和N掺杂碳纳米管(Appl. Cataly. B: Environment. 2020, 271, 118929)稳定单分散活性中心，提高稳定性。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202010601

文章来源：中国科学院海西研究院

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