电化学CO₂还原反应（CO₂RR）能够在利用CO₂排放的同时储存间歇的可再生电力。甲烷（CH₄）具有55.5 MJ kg⁻¹的高热值最大，是天然气的主要成分，以清洁高效燃烧著称。将CO₂电化学转化为CH₄提供了一种在与全球碳挑战相关的规模上结束碳循环的有效手段。CO₂RR的应用要求催化剂和系统在电流密度大于100 mA cm⁻²的情况下可以运行，并表现出高选择性，以及持久运行寿命。

近日，加拿大多伦多大学David Sinton，Edward H. Sargent报道了开发了一种低配位Cu催化剂，用于在膜电极组件（MEA）中稳定和选择性地电化学CO₂甲烷化。

文章要点

1）通过密度泛函理论（DFT）计算，研究人员发现当Cu的整体配位数从7.5降到3.0时，生成CH₄所必需的*CO中间体加氢反应的反应能最小。

2）为了实现和保持MEA中Cu催化剂的低配位数，研究人员设计了一种碳纳米颗粒（CNP）慢化剂策略。CNP可以隔离并防止在Cu配合物，Cu(II)酞菁（CuPc）原位还原过程中所形成的低配位数Cu团簇的聚集。

3）实验结果显示，经原位扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的证实，当Cu配位数为4.2时，在CH₄部分电流密度为136 mA cm⁻²时，CO₂RR对CH₄ 的法拉第效率（FE）为62%，同时在190 mA cm−2下可以稳定电解110 h。

参考文献

Xu, Y., Li, F., Xu, A. et al. Low coordination number copper catalysts for electrochemical CO2 methanation in a membrane electrode assembly. Nat Commun 12, 2932 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-23065-4

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23065-4