武汉理工大学李能&斯威本科技大学孙成华ACS Nano：二维金属碳化物MXenes催化还原CO2的电化学机理

【引言】

二氧化碳（CO₂）是最主要的温室气体，我国作为排放大国正面临严峻的减排压力。中国政府高度重视CO2减排问题，国家主席习近平在巴黎气候大会重申了中国此前做出的承诺，中国将于2030年左右使CO₂排放达到峰值并争取尽早实现。这给国内能源结构、产业结构调整带来巨大转型压力，相关技术创新和突破是实现碳排放峰值承诺的重要途径。同时，CO₂也是一种自然界大量存在的“碳源”化合物，若能借助替代能源（太阳能、风能、核能等）电解水制得的氢气将CO₂转化为有用的化学品或燃料，将同时帮助解决大气中CO₂浓度增加导致的环境问题、化石燃料的过度依赖以及可再生能源的存储问题。汽油和航煤等烃类化合物是重要的运输燃料，在世界范围内应用广泛、具有很高的经济价值。著名诺贝尔化学奖获得者Olah教授提出了“人工碳循环”的概念，若借助替代能源将CO₂直接转化为液体燃料可使得整个碳循环更加有效。目前，CO₂资源化利用的研究主要集中在甲醇、甲酸、甲烷和一氧化碳等简单小分子化合物的合成，然而，由于CO₂分子的化学惰性，很难将其转化为含有两个碳原子及以上的化合物。二维材料MXene由于其具有出色的比表面面积以及其他物理化学性能，一直都被催化领域的研究者寄予厚望。因此研究新型二维材料MXene捕获CO₂并转化为甲醇和甲烷等燃料具有重要的研究意义和发展前景。

【成果简介】

武汉理工大学李能教授和斯威本科技大学孙成华教授(共同通讯作者)合作，近期在ACS Nano上发表了题为“Understanding of Electrochemical Mechanisms for CO₂ Capture and Conversion into Hydrocarbon Fuels in Transition-Metal Carbides (MXenes)”的研究论文，报道了对于过渡金属碳化物MXenes材料作为催化基体实现还原CO₂的电化学机理。本文借助量化计算，研究人员对MXenes表面没有覆盖官能团获存在OH以及O官能团两种体系捕获CO2的电化学机制进行了深入系统的探讨。通过比较MXene以及MXene-Tx(T=OH, O)这两种体系还原CO2的热力学和动力学过程，我们得出MXene更有利于CO2的捕获和转化为甲醇和甲烷；但是，考虑到目前实验上难以合成纯净的MXene体系，我们又通过量化计算得出MXene-Tx (T=OH,O)体系在一定的条件下能够适当的形成水而脱去羟基（OH），从而增强MXene- Tx体系的还原CO₂的能力。此研究结果为其他研究人员在后续实验中利用MXenes材料作为催化剂还原处理CO₂，并以此为原料制备CH₄，提供了研究方向和理论基础。

【图文导读】

图1 CO₂与MXenes表面的相互作用

图2 Mo₃C₂/Cr₃C₂-MXenes 表面捕获CO₂过程

图3 裸露Mo₃C₂捕获CO₂并实现CO₂化学转化机理CO₂→CH₄+H₂O

图4 裸露Cr₃C₂捕获CO₂并实现CO₂化学转化机理

图5 MXene-T_x (T=OH)脱羟基的能量相图

图6 Mo₃C₂(OH)₂实现CO₂催化还原的路径及能量相图

图7 Mo₃C₂O₂实现CO₂催化还原的路径及能量相图

【小结】

本文新发现的MXene (Mo₃C₂与Cr₃C₂) 催化剂较之有官能团存在的情况下的MXene，更加促进CO₂在MXene表面的吸附，同时更容易激活其界面位点CO₂的活性；CO₂^δ-的稳定存在以及*COOH形成自由能的降低和吸附稳定性的提高更有利于促进CO₂RR过程。同时，研究了在酸性条件下，MXene-T_x(T=OH)中的羟基还原成H2O的电化学机理，从理论上证明了形成干净的MXene表面的可行性。因此，该研究提出的MXene独特催化性能将更好地促进二氧化碳排的减排，为设计高效电催化剂提供了新的途径。

文献链接：Understanding of Electrochemical Mechanisms for CO₂ Capture and Conversion into Hydrocarbon Fuels in Transition-Metal Carbides (MXenes) （ACS Nano,2017,Doi: 10.1021/acsnano.7b03738）

本文由材料人新能源组 深海万里 整理。

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