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近期,上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院安煒教授課題組在化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科工業(yè)催化學(xué)科方向中收獲最新成果,在電催化二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)的理論研究中取得重要進(jìn)展。2019級碩士研究生何苗苗為第一作者,安煒教授為通訊作者,在工程技術(shù)和納米科學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《Small》上(系中科院SCI分區(qū)工程技術(shù)大類一區(qū)Top期刊,IF= 13.281)發(fā)表題為“Hybrid Metal–Boron Diatomic Site Embedded in C2N Monolayer Promotes C–C Coupling in CO2 Electroreduction”的研究論文(DOI: 10.1002/smll.202104445),該論文還同時(shí)入選《Small》的“C-C Coupling”和“Carbon Dioxide” 兩個“Hot Topic”。
電 催化二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)可在溫和環(huán)境條件下,將重要溫室氣體之一的CO2直接轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品,當(dāng)使用可再生電力驅(qū)動反應(yīng)時(shí),可成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化學(xué)和能源未來的一種可行解決方案,對助力達(dá)成我國“3060雙碳目標(biāo)”有重要現(xiàn)實(shí)意義。 二維碳基材料用于CO2RR的實(shí)驗(yàn)和理論研究是當(dāng)前的國際熱點(diǎn),其中就包括著名的單原子催化劑(SAC),而作為SAC的一個增強(qiáng)平臺,雙原子催化劑(DAC)因其雙原子活性位點(diǎn)的多功能調(diào)節(jié)和協(xié)同效應(yīng)而備受關(guān)注,通常研究的是金屬(M)-金屬(M)雙原子位點(diǎn),很少研究金屬-非金屬組合位點(diǎn),甚至此類活性位點(diǎn)是否真正具備電催化活性也未可知。
為此,通過對有實(shí)驗(yàn)依據(jù)的M@X-C2N(M=Fe、Co、Ni和Cu; X=S、P和B)上CO2RR的密度泛函理論系統(tǒng)計(jì)算研究,證實(shí)了雜化M–B雙原子活性位點(diǎn)在驅(qū)動CO2RR特別是C–C耦合方面的功能優(yōu)于單或雙M中心; 其中,F(xiàn)e@BC2N(μ=2 μB)在C-C耦合中的自由能壘最低(0.17 eV),而Ni@BC2N(μ=0 μB)主要產(chǎn)生CH4,最低勢壘為0.42 eV。 因此,M的電子自旋態(tài)在調(diào)節(jié)CO2RR中的選擇性和C–C耦合勢壘方面頗為重要。 同時(shí),文章預(yù)測了Fe@BC2N為CO2RR主要生成C2+產(chǎn)物有前途的催化劑,部分原因即是其增強(qiáng)的自旋電子態(tài),上述新發(fā)現(xiàn)無疑豐富了在環(huán)境條件下運(yùn)行的電催化劑的設(shè)計(jì)策略。
安煒教授2015年6月入現(xiàn)職以來,在可持續(xù)化學(xué)和能源轉(zhuǎn)化中催化反應(yīng)的理論研究中取得系列重要進(jìn)展,已經(jīng)在“中國科技期刊卓越行動計(jì)劃”重點(diǎn)建設(shè)“領(lǐng)軍期刊”《Nano Research》 (一區(qū),IF=8.897), 《Journal of Catalysis》 (一區(qū),IF=7.920), 《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》 (一區(qū),IF= 8.198), Journal of Power Sources (一區(qū),IF= 9.127),《Journal of Energy Chemistry》 (一區(qū),IF=9.676)等領(lǐng)域內(nèi)一、二區(qū)Top期刊上發(fā)表通訊/第一作者論文27篇。 主持結(jié)題國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和上海自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目各一項(xiàng),培養(yǎng)碩士研究生20名,聯(lián)合培養(yǎng)博士生1名,其中3名碩士畢業(yè)生赴國內(nèi)外知名學(xué)校攻讀博士學(xué)位。
上述工作受益于國家自然科學(xué)基金(21673137)、上海自然科學(xué)基金(16ZR1413900)和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心的支持。
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