哥伦比亚大学陈经广Adv. Funct. Mater: 聚合物粘结剂中的官能团对Au纳米粒子CO2 RR的作用

【引言】

电化学二氧化碳还原反应（CO₂ RR）引起了极大的关注，因为它已被认为是利用可再生资源减轻人为CO₂排放的可能途径。在各种由CO₂ RR产生的C₁产物中，一氧化碳（CO）具有一定的经济吸引力，因为CO随后可以通过费托法或者甲醇合成反应进一步产生增值化学品。在各种CO₂ RR催化剂中，在各种CO₂ RR催化剂中，金（Au）通常被认为是基准催化剂因为CO产量比金催化的析氢反应（HER）。现已充分确定，参与CO₂ RR的反应中间体的结合能与催化活性和产物选择性相关。很难期望除了Au以外的更好的单金属电催化剂用于CO析出，因为基于不同中间体的结合能之间的结合关系，预测Au对CO产生具有最佳的选择性。在这些情况下，出现了一个问题：是否有任何方法可以控制中间体在Au上的结合能，从而优化CO₂ RR的活性和选择性？

【成果简介】

近日，哥伦比亚大学陈经广教授团队通过结合实验测量和密度泛函理论（DFT）计算系统地研究了聚合物粘合剂的不同官能团对Au催化剂上的CO₂ RR的作用。

密度泛函理论（DFT）计算表明，粘合剂中的末端官能团对反应中间体的结合能具有显着影响，并因此改变了CO₂ RR性能。此外，通过实验表明，与DFT预测一致，富含F的聚四氟乙烯（PTFE）粘合剂中的含氟（F）官能团使得CO产生法拉第效率极高（≈94.7％）。这些实验和DFT结果表明，粘合剂替换和优化可能是目前面向材料的CO₂ RR研究之外的可能选择之一。

【图文导读】

图一本研究中使用的粘合剂的化学结构

图二 不同粘结剂的CO催化性能

图三DFT理论计算

【小结】

总之，通过结合实验测量和DFT计算系统地研究了官能团在聚合物粘合剂上对CO₂ RR的作用。发现聚合物粘合剂上的主要官能团可通过改变催化剂表面性质而显着影响CO₂与CO的电催化转化。 DFT计算表明，Au的CO₂  RR不仅可以通过稳定* HOCO中间体而且可以通过抑制HER反应来提升。本研究中的实例使用实验评估和DFT计算的组合，证明了使用粘合剂的官能团来改变CO₂ RR活性和选择性的可行性。目前的工作代表了一项基础研究，重点关注具有替代CO₂ RR中既定成分的高潜力的粘合剂的功能作用。 未来的研究需要集中在了解粘合剂和电催化剂之间的各种可能的相互作用，这将进一步促进对粘合剂在提高CO₂ RR性能中的重要作用的理解。

文献链接：“Understanding the Role of Functional Groups in Polymeric Binder for Electrochemical Carbon Dioxide Reduction on Gold Nanoparticles”(Adv. Funct. Mater. 2018,DOI: 10.1002/adfm.201804762)

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