利用可再生能源將CO2電催化轉(zhuǎn)化為高值產(chǎn)物是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。在CO2還原的眾多產(chǎn)物中，CH4由于能量密度高、綠色清潔、存儲運輸基礎(chǔ)設(shè)施完善等特點受到廣泛的研究關(guān)注。Cu基鈣鈦礦氧化物具有多樣的化學(xué)組成、靈活的晶體/電子結(jié)構(gòu)以及可調(diào)的物理化學(xué)性質(zhì)，在CO2還原制CH4方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但因其復(fù)雜的反應(yīng)路徑和催化活性結(jié)構(gòu)的降解，開發(fā)高活性、高選擇性、穩(wěn)定的Cu基鈣鈦礦催化劑存在很大挑戰(zhàn)。
將Cu基鈣鈦礦氧化物與其他輔助相結(jié)合構(gòu)筑復(fù)合催化劑，并合理設(shè)計/調(diào)控其強界面相互作用，會有效調(diào)制催化劑的物理化學(xué)性質(zhì)，從而有可能提高CH4電合成的活性、選擇性和穩(wěn)定性。具體地，通過理性調(diào)節(jié)復(fù)合催化劑的組分/界面性質(zhì)可以調(diào)控其表面電子/幾何結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化反應(yīng)路徑，促進CH4生成。此外，Cu基鈣鈦礦氧化物與輔助相間的強界面相互作用會通過電子轉(zhuǎn)移引發(fā)Cu位點電荷密度的重分布，從而有可能穩(wěn)定Cu-O晶格，提高穩(wěn)定性。
近期，功能膜與氫能技術(shù)研究中心膜催化材料研究組在朱佳偉研究員和江河清研究員的指導(dǎo)下，采用自組裝策略設(shè)計構(gòu)筑了系列具有可控強相互作用界面的高性能Cu基鈣鈦礦/氧化鈣復(fù)合催化劑La2CuO4/(CaO)x。該催化劑中La2CuO4與CaO相通過界面緊密相連，帶來了強界面相互作用，主要表現(xiàn)為由Ca2+向Cu2+的電子轉(zhuǎn)移。該系列催化劑對CH4的活性、選擇性與CaO相含量呈火山型趨勢（與界面尺寸呈正相關(guān)）。具有最大界面的La2CuO4/(CaO)0.8表現(xiàn)出最佳的CH4活性和選擇性（在300?mA?cm-2時CH4選擇性達77.6%），同時具有良好的穩(wěn)定性，優(yōu)于已報道的Cu基鈣鈦礦氧化物。該優(yōu)異性能主要來源于自組裝誘導(dǎo)的強界面相互作用，不僅強化*CO吸附/加氫促進CH4生成，還增強催化劑的抗降解能力提升穩(wěn)定性。本項工作為設(shè)計更先進的Cu基催化劑提供了新的思路，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊ACS Nano《美國化學(xué)學(xué)會-納米》。
該工作第一作者是青島能源所博士生張瑜、項目聘用徐蘊澤、北京物理所陳子韜博士，通訊作者為朱佳偉，得到了中國科學(xué)院高層次人才計劃、國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、山東省人才計劃、山東省自然科學(xué)基金以及江蘇省自然科學(xué)基金的支持。
