近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室姚濤教授團(tuán)隊(duì)與華中科技大學(xué)夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)和新西蘭奧克蘭大學(xué)王子運(yùn)博士合作，綜合利用多種同步輻射原位技術(shù)，在質(zhì)子交換膜（PEM）二氧化碳轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Durable CO2 conversion in the proton-exchange membrane system”為題，于北京時(shí)間2月1日發(fā)表于《Nature》。
開發(fā)各種碳中和技術(shù)對(duì)于解決能源與環(huán)境問題具有重要意義?；赑EM技術(shù)的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化（CO2RR）由于可生產(chǎn)高附加值化學(xué)品和燃料并可以大電流、長時(shí)間穩(wěn)定工作，是實(shí)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(xué)裝置的多種先進(jìn)表征技術(shù)研究催化劑在服役狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)演變和反應(yīng)機(jī)理，對(duì)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(xué)意義和應(yīng)用價(jià)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(shí)的條件下產(chǎn)生甲酸的法拉第效率超過93%，電流密度達(dá)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(yīng)中的真實(shí)活性結(jié)構(gòu)，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(shù)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(guān)鍵因素。研究人員進(jìn)一步基于合肥光源原位紅外譜學(xué)技術(shù)（BL01B），基于自研原位紅外裝置，采用13C同位素標(biāo)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(huì)首先經(jīng)過表面活化過程進(jìn)入PbCO3晶格，再由晶格中的C轉(zhuǎn)換成最終的HCOOH產(chǎn)物，結(jié)合DFT理論計(jì)算揭示了r-Pb催化劑的固相動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)晶格碳活化和CO2轉(zhuǎn)化機(jī)理。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室姚濤教授、華中科技大學(xué)夏寶玉教授、新西蘭奧克蘭大學(xué)王子運(yùn)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(xué)基金委等項(xiàng)目資助，并得到國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室（NSRL）、北京光源（BSRF）和上海光源（SSRF）的同步輻射機(jī)時(shí)支持。
圖2.質(zhì)子交換膜原位測(cè)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(cè)
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06917-5
（核科學(xué)技術(shù)學(xué)院、科研部）
