纳米结构结合铜，金和银，以提高碳捕获和利用

诸平 

Proposed possible mechanism for the electrochemical CO2RR on (a) Au@Ag NRs and (b,c) asymmetric AuAgCu NSs. Credit: Nano Research

据《科技日报》（SciTechDaily）2022年3月16日报道，中国化学家们开发了一种纳米级结构，它结合了铜、金和银，在化学反应中作为一种高级催化剂，以提高碳捕获和利用（Nanostructure Combines Copper, Gold and Silver To Give Carbon Capture and Utilization a Boost）。如果碳捕获和利用工作成功，无疑有助于缓解全球变暖，当然其性能的提高与进一步优化还有许多工作要做。相关研究结果于2022年3月15日已经在《纳米研究》（Nano Research）杂志网站发表——Yating Zhu, Zengqiang Gao, Zhicheng Zhang, Ting Lin, Qinghua Zhang, Huiling Liu, Lin Gu, Wenping Hu. Selectivity regulation of CO₂ electroreduction on asymmetric AuAgCu tandem heterostructures. Nano Research, Published: 15 March 2022. DOI: 10.1007/s12274-022-4234-5. https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-4234-5

上面的图片就是来自发表于《纳米研究》的论文，其中提出了(a) Au@Ag NRs和(b,c)不对称AuAgCu NSs上的电化学CO₂还原反应（CO₂ reduction reaction简称CO₂RR）的可能机理。

参与此项研究的有来自天津大学（Tianjin University）、天津化学化工协同创新中心（Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering, Tianjin）、中国科学院物理研究所（Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing）、北京量子物质科学协同创新中心（Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, Beijing）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）以及天津工业大学（Tianjin University of Technology）的研究人员。

面对气候变化的挑战，近年来，决策者越来越关注碳捕获和利用(carbon-capture-and-utilization 简称CCU)，即从大气中提取CO₂，然后用作工业化学品的原料（例如一氧化碳、甲酸、乙烯和乙醇）或用于生产碳中性合成燃料（特别适用于难以电气化的运输部门，如长途航空和航运）。只要后一个过程由清洁电力提供动力，它还提供了一种长期储存可再生能源的方法——这是克服风能和太阳能等能源选择间歇性的圣杯。

一种可能的方法是通过化学反应，称为电化学二氧化碳还原反应(electrochemical CO2 reduction reaction 简称eCO₂RR或者ECR)。它利用电能将二氧化碳的碳原子和氧原子分离，从而将气体转化为其他可用的物质。水也可以在某些种类的ECR中作为提供氢的“供体”，使碳原子与氢结合，产生各种碳氢化合物或醇类。

ECR的关键是使用正确的催化剂，或其结构和电荷能够启动或加速化学反应的化学物质。根据需要的最终产品不同，各种不同的金属被用作催化剂。只使用一种金属的催化剂包括锡作为催化剂用于生产甲酸，银作为催化剂用于生产一氧化碳(CO)，铜可以作为生产甲烷、乙烯或乙醇的催化剂。

然而，当ECR与水的电化学分裂过程中氢原子与自身配对而不是与碳原子结合的趋势竞争时，该过程的性能可能受到限制。这种竞争可能导致生产(或“选择”)一种不同于预期的化学最终产品。因此，化学家们长期以来一直在寻找具有高“选择性”的催化剂。

最近，研究人员不再仅仅使用单一的金属作为催化剂，而是转向异质结构的使用，它结合了两种不同的材料，它们的综合性能产生不同或优于单独的材料。

一些已经被用于ECR测试的异质结构包括银和钯以树枝状结构结合——AgPd“纳米枝晶” (AgPd “nanodentrites”)，以及两种金属以三明治状、管状、金字塔状和其他形状的各种其它组合。研究人员在包括铜在内的双金属异质结构方面取得了相当大的成功，铜非常擅长将二氧化碳转化为使用两个碳原子的产物。这些双金属异质结构包括银-铜(AgCu)、锌-铜(ZnCu)和金-铜(AuCu)，其中金-铜对甲烷、C₂和一氧化碳具有特殊的选择性。

这项研究的合作者、天津大学纳米化学家张志成（Zhicheng Zhang音译）说：“我们认为如果两种金属都能产生好的结果，那么三种金属可能会更好。”

因此，研究人员构建了一种三金属纳米结构，它结合了金、银和铜，并且是不对称的。三种金属的形状和精确比例可以通过一种涉及多个步骤的生长方法来改变。具体来说，金“纳米金字塔”首先被合成，并被用作“种子”，随后生长的各种三金属结构涉及三种金属的不同比例。

他们发现，由于其异质结构设计的独特形式，以及通过改变这三种金属的比例，他们可以小心地调整对不同C₂基产品的选择性。尤其是乙醇(C₂H₅OH)的生产，通过使用一种异质结构来最大化，这种异质结构的投料比包括金、银各一个原子与五个铜原子结合。

该工作为ECR开发中其他三金属纳米材料的开发提出了一个有前景的战略。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Rational design and synthesis of multimetallic nanostructures (NSs) are fundamentally important for electrochemical CO₂ reduction reaction (CO₂RR). Herein, a multi-step seed-mediated growth method is applied to synthesize asymmetric AuAgCu heterostructures using Au nanobipyramids as nucleation seeds, in which their composition and structures are well controlled. We find that the selectivity of C₂ products for CO₂RR could be effectively regulated by tandem catalysis and electronic effect over trimetallic AuAgCu heterostructures. Particularly, the Faraday efficiency toward ethanol could reach up to 37.5% at a potential of −0.8 V versus reversible hydrogen electrode over asymmetric Au₁Ag₁Cu₅ heterostructures with segregated domains of three constituent metals. This work provides an efficient strategy for the synthesis of multicomponent architectures to boost their promising application in CO₂RR.