碳基能源转化新进展:多孔框架材料高效催化二氧化碳还原
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发布日期:2015-08-28
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二氧化碳作为碳基燃料燃烧的产物和温室气体,已经被公认为人类活动影响气候变迁的主要载体。虽然植物可以将二氧化碳吸收转化为糖类、纤维素以及化石燃料等碳氢化合物,但是这个过程相当漫长,并且随着社会发展激增的能源需求和化石燃料的空前使用,自然界的碳循环已然失去平衡,亟需探索可持续发展的碳基能源技术将二氧化碳吸收和转化为有用的化学原料和燃料。近来兴起的电化学还原二氧化碳的技术将有可能耦合光伏、核电、风电等技术将可再生能源转化为化学能储存起来,可望建立起与自然互补的人工碳循环。

然而,电化学还原二氧化碳的挑战主要是其动力学能垒较高(可达热力学能垒的三倍以上),需要寻找理想的催化剂及合适的反应条件以提高其转化的能量效率、加快反应速度、提升反应和产物选择性以及采用环境友好的反应条件。常见的配合物金属卟啉分子虽然具有均相催化活性、明确的反应机理和分子结构可调性,但是往往反应速度慢、工作寿命短、不可循环使用,且需要有机溶剂作为反应媒介。

我校物质学院助理教授章跃标博士及其合作者采用自下而上分子组装多孔材料的方法,将金属卟啉分子催化剂作为构筑单元通过亚胺键链接成系列二维的多孔共价有机框架,成功实现了二氧化碳在水中的高效催化还原转化。由于该类材料具有良好的层内电子共轭性和层间π-π堆叠作用、以及较高的比表面积,从而在电极上可获得较高的电荷密度和较快的电子转移。得益于该体系优越的模块合成特点,可以对其孔尺寸、金属种类和比例进一步进行同构调节,从而系统地优化了其催化性能。该系列多相催化剂最终表现出过电压较低(-0.55 V)、能量效率高(Faradaic效率最高可达90%)、产物单一(主要为CO)、转化数高(最高可达290000,初始转化频率9400 h-1),以及工作寿命长等特点。

该成果最近发表在国际顶尖科学杂志《Science》上,并被作为研究新闻报道。

文章链接:http://www.sciencemag.org/content/early/2015/08/19/science.aac8343

报道链接:

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