近日,，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姚濤教授團隊與華中科技大學夏寶玉教授團隊和新西蘭奧克蘭大學王子運博士合作,，綜合利用多種同步輻射原位技術,，在質(zhì)子交換膜（PEM）二氧化碳轉(zhuǎn)換機制的研究中取得重要進展,，相關研究成果以“Durable CO2 conversion in the proton-exchange membrane system”為題，于北京時間2月1日發(fā)表于《Nature》,。
開發(fā)各種碳中和技術對于解決能源與環(huán)境問題具有重要意義,。基于PEM技術的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化（CO2RR）由于可生產(chǎn)高附加值化學品和燃料并可以大電流,、長時間穩(wěn)定工作,，是實現(xiàn)工業(yè)化碳轉(zhuǎn)換較有前景的方式之一。而利用同步輻射大科學裝置的多種先進表征技術研究催化劑在服役狀態(tài)下的結構演變和反應機理,，對于開發(fā)酸穩(wěn)定的碳轉(zhuǎn)換催化劑和膜電極系統(tǒng)具有重要的科學意義和應用價值,。
研究人員利用再生鉛催化劑（r-Pb）在寬pH范圍內(nèi)取得了較高的CO2RR活性，在2.2 V壓下,、連續(xù)工作5200小時的條件下產(chǎn)生甲酸的法拉第效率超過93%,，電流密度達到600 mA/cm2（圖1）,。
圖1.再生鉛催化劑膜電極CO2RR的活性與穩(wěn)定性
為了厘清r-Pb催化劑在CO2RR反應中的真實活性結構，研究人員發(fā)展并自研了適用X射線吸收譜的膜電極CO2RR原位裝置,，分別在合肥光源軟X射線磁性圓二色線站（BL12B）和北京光源XAFS線站（1W1B）開展了離線和原位表征,，原位X射線吸收譜技術發(fā)現(xiàn)r-Pb在CO2RR的還原電位下發(fā)生了由Pb/PbSO4向Pb/PbCO3的動態(tài)結構演變，金屬態(tài)Pb與PbCO3在還原電位下一定比例的共存是最終產(chǎn)生甲酸高選擇性和活性的關鍵因素,。研究人員進一步基于合肥光源原位紅外譜學技術（BL01B）,，基于自研原位紅外裝置，采用13C同位素標記的13CO2開展了CO2RR的原位紅外研究,，發(fā)現(xiàn)PbCO3表面的氣態(tài)CO2會首先經(jīng)過表面活化過程進入PbCO3晶格,，再由晶格中的C轉(zhuǎn)換成最終的HCOOH產(chǎn)物，結合DFT理論計算揭示了r-Pb催化劑的固相動態(tài)轉(zhuǎn)變誘導晶格碳活化和CO2轉(zhuǎn)化機理,。
中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姚濤教授,、華中科技大學夏寶玉教授,、新西蘭奧克蘭大學王子運博士為本論文的共同通訊作者,，本研究受到科技部、國家自然科學基金委等項目資助,，并得到國家同步輻射實驗室（NSRL）,、北京光源（BSRF）和上海光源（SSRF）的同步輻射機時支持。
圖2.質(zhì)子交換膜原位測試裝置及同步輻射X射線吸收譜表征
圖3.同步輻射原位紅外探測
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06917-5
（核科學技術學院,、科研部）
