燃燒化石燃料后排放二氧化碳（CO2）是目前形成溫室效應的重要原因，電還原CO2得到甲醇等燃料是實現可持續發展的一種潛在途徑。在這一過程中，電催化劑是制約能量轉化效率以及經濟性的關鍵。遺憾的是，目前在CO2到甲醇轉化中仍缺少性能優異的電催化劑。
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近日，南方科技大學材料科學與工程系教授梁永曄團隊與耶魯大學化學系副教授王海梁團隊合作，首次利用固定在碳納米管（CNT）管壁上的分子催化劑酞菁鈷（CoPc），實現了二氧化碳到甲醇的高效轉化，甲醇轉化的法拉第效率（電極傳輸一定數量的電荷所能得到的實際生成物與理論生成物的百分比）>40%以及甲醇分電流密度>10 mA/cm2。這個結果比此前文獻報道的法拉第效率以及電流密度達到了數量級的提升。
他們的成果發表在《自然》上。
催化中的“金發姑娘”原則
在英國童話《三只小熊》中，一位名為Goldilock的金發姑娘不小心闖進了熊屋，在偷吃過三碗粥后，金發姑娘覺得即不太冷，也不太熱的粥最好。
“恰到好處”的選擇最優，這被稱為“金發姑娘”原則。
王海梁告訴記者，催化領域也有類似的原則，即Sabatier原則。
二氧化碳在被還原的過程中，會首先還原為一氧化碳。此時，如果催化劑與一氧化碳結合能（CO結合能）太弱，則一氧化碳容易離開催化劑表面，成為主要的反應產物；而如果催化劑的CO結合能太強，CO的進一步還原變的困難而需要更負的電位，這時候往往水分解產生氫氣會占主導。
王海梁說，如果催化劑的CO結合能“恰到好處”，使CO保持與催化位點的結合，就能將二氧化碳深度還原為碳氫化合物或醇類。
根據最近對金屬-氮4（M–N4）分子結構的計算研究表明，同鐵和鎳的類似結構相比，CO結合能在Co–N4上“恰到好處”。因此含有Co–N4結構的CoPc有望進一步實現深度還原過程。
據梁永曄介紹，CoPc分子的4個Co-N配位鍵結構可以很好的穩定中間的鈷，使得它不易從分子中脫離而導致失去活性。早在上世紀80年代，CoPc就被發現可以催化CO2到CO的電還原。
文章第一作者、耶魯大學化學系博士生吳越申告訴《中國科學報》，在這個課題立項之前，他曾經在一個包含CoPc的催化劑體系的產物里偶然觀測到過甲醇，只是當時的產量和催化選擇性都非常小，讓他誤以為是實驗誤差或是污染。直到課題立項時吳越申才又突然想起那一次結果，然后調出之前的數據和王海梁討論，開始仔細地設計實驗。
“為了驗證甲醇作為催化產物（以及其選擇性）的真實性和重復性，王老師多次詢問我具體的實驗條件并和我討論了許多可能導致假陽性的因素。”
吳越申說，“梁永曄課題組的江占也在他們的實驗室進行了重復。”
碳納米管解決分子催化劑分散問題
梁永曄告訴《中國科學報》，貴金屬催化劑導電性好，催化活性高，而且具有較好的穩定性。然而，這類催化劑一般成本高、儲量少而難以大規模使用。
而分子催化劑具有來源廣泛、結構明確且易調控的特點。這有利于研究催化性能與結構關系，深入了解反應機理。但是分子電催化劑本身導電性較差、容易堆積，往往表現的催化性能不高。
“過去人們一般會通過滴涂或浸涂的方法將分子電催化劑負載到電極上。”，梁永曄說，“由于分子一般導電性差且容易聚集，導致測得的催化性能往往較差并且會影響分子本征催化性能的表露。一般采用與碳材料混合的方式來提高導電性，但是分子容易聚集的問題并沒有得到很好的解決。”
此次課題組采用全新的方法。梁永曄告訴記者，團隊前期的研究工作發現CoPc與碳納米管在超聲與攪拌下可以很好的分散在有機溶劑中，由于兩者都具有較大的共軛結構可以很好的結合，最后通過溶劑洗滌將沒有固定在碳納米管上的分子去除，得到CoPc分子分散在碳納米管管壁上的復合物。
“這種結構有效克服了CoPc分子聚集以及不導電的問題，大大提高CO2還原成CO的電催化性能。”梁永曄說。
最終，團隊發現CoPc/CNT復合催化劑在更大的過電位下可以實現CO2還原獲得甲醇的六電子還原反應。在中性電解液中和-0.94 V（相較于標準氫電極）的電位下，可以實現>40%的甲醇轉化法拉第效率以及>10 mA/cm2的甲醇分電流密度，比之前的文獻報道均有了數量級的提升。
電催化劑變二氧化碳為寶
梁永曄等人此次的成果發表后，丹麥奧爾胡斯大學化學系教授Kim Daasbjerg在《自然》發表點評文章，指出在這項研究的基礎上，通過不斷努力改善催化劑性能和電化學電池的設計，有望實現可再生的甲醇燃料生產。
這意味著，在全球溫室氣體排放問題日益嚴峻的今天，人們可以利用從空氣中捕獲的二氧化碳，從而降低捕獲過程的成本。
不過，梁永曄告訴記者，這項成果離應用還有距離。
“要實現工業應用，催化效率、電流密度都要更高，電流密度要達到每平方厘米幾百毫安。” 梁永曄稱。
“我們下一步工作重點是進一步提高催化劑的性能，尤其是甲醇轉化的選擇性。”王海梁說。“此外，還要通過結合理論計算與原位表征深入了解反應的機理，優化催化劑的設計，進一步將催化劑集成到反應器中測試大電流密度下的性能。”
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