碳基能源轉化新進展:多孔框架材料高效催化二氧化碳還原

時間:2015-08-28浏覽:1653設置

二氧化碳作爲碳基燃料燃燒的産物和溫室氣體,已經被公認爲人類活動影響氣候變遷的主要載體。雖然植物可以將二氧化碳吸收轉化爲糖類、纖維素以及化石燃料等碳氫化合物,但是這個過程相當漫長,並且隨著社會發展激增的能源需求和化石燃料的空前使用,自然界的碳循環已然失去平衡,亟需探索可持續發展的碳基能源技術將二氧化碳吸收和轉化爲有用的化學原料和燃料。近來興起的電化學還原二氧化碳的技術將有可能耦合光伏、核電、風電等技術將可再生能源轉化爲化學能儲存起來,可望建立起與自然互補的人工碳循環。

然而,電化學還原二氧化碳的挑戰主要是其動力學能壘較高(可達熱力學能壘的三倍以上),需要尋找理想的催化劑及合適的反應條件以提高其轉化的能量效率、加快反應速度、提升反應和産物選擇性以及采用環境友好的反應條件。常見的配合物金屬卟啉分子雖然具有均相催化活性、明確的反應機理和分子結構可調性,但是往往反應速度慢、工作壽命短、不可循環使用,且需要有機溶劑作爲反應媒介。

我校物質學院助理教授章躍標博士及其合作者采用自下而上分子組裝多孔材料的方法,將金屬卟啉分子催化劑作爲構築單元通過亞胺鍵鏈接成系列二維的多孔共價有機框架,成功實現了二氧化碳在水中的高效催化還原轉化。由于該類材料具有良好的層內電子共轭性和層間π-π堆疊作用、以及較高的比表面積,從而在電極上可獲得較高的電荷密度和較快的電子轉移。得益于該體系優越的模塊合成特點,可以對其孔尺寸、金屬種類和比例進一步進行同構調節,從而系統地優化了其催化性能。該系列多相催化劑最終表現出過電壓較低(-0.55 V)、能量效率高(Faradaic效率最高可達90%)、産物單一(主要爲CO)、轉化數高(最高可達290000,初始轉化頻率9400 h-1),以及工作壽命長等特點。

該成果最近發表在國際頂尖科學雜志《Science》上,并被作为研究新聞报道。

文章鏈接:http://www.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8343

報道鏈接:

http://news.sciencemag.org/chemistry/2015/08/designer-material-clears-hurdle-turning-carbon-dioxide-fuel?rss=1

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