Nature Catalysis: 串联CO2电还原中生物模拟不对称C–C耦合机理的探索

元催化

2022-10-01

电化学CO₂还原反应（CO₂RR）被视为有助于在2060年之前实现碳中和的一种有前景的技术。然而，作为构建碳骨架的主要步骤，CO₂固定化学中的C-C耦合机制仍需进一步研究，因为其尚未得到很好的理解。在CO₂固定中，C-C耦合是构建增值多碳产品中碳骨架的关键步骤。其中，Wood-Ljungdahl途径是一种有效的自然过程，微生物通过该过程将CO₂转化为甲基和羰基，然后将它们耦合在一起。然而，在无机CO₂电还原中，这种不对称耦合机制很大程度上仍未得到探索。

近日，美国加州大学伯克利分校杨培东院士等人报道了一种共还原实验，通过电抛光铜箔来验证Cu表面对不对称*CH₃-*CO偶联的催化能力。为克服难以从光谱中确定中间产物的困难，作者通过外部提供CO和CH₃I作为两个不同的中间源来确保中间产物的存在。*CO来自于CO气体的吸附，而*CH₃则是由CH₃I电化学生成。通过进一步用¹³C同位素标记CH₃I，通过核磁共振波谱验证¹³C-¹²C的不对称耦合在技术上可行。

本文要点：

（1）本研究在更实际的CO₂电还原条件下，通过同位素标记的共还原实验和Cu-Ag电化学串联催化，探索了CO₂RR中的不对称C-C耦合。此外，作者开发了同位素标记的共还原过程，以探索Cu上的*CH₃-*CO偶联。

（2）研究还发现通过改变串联系统中Cu和Ag间的纳米颗粒数（从而改变质量）比，可以调整CO₂RR期间*CHx和*CO中间产物的生产速率。当这两种中间体中的氧化合物广泛排列时，可以实现最大的含氧化合物生成速率。这些对CO₂固定中C-C耦合途径的新见解不仅证实了非对称耦合的存在，而且还阐明了未来CO₂电解中串联催化系统的新设计思路。

参考文献：

Chubai Chen, Sunmoon Yu, Yao Yang， et al. Exploration of the bio-analogous asymmetric C-C coupling mechanism in tandem CO₂ electroreduction. Nature Catalysis, 2022.

DOI：10.1038/s41929-022-00844-w

https://doi.org/10.1038/s41929-022-00844-w