近日，中国科学技术大学国家同步辐射实验室姚涛教授团队与华中科技大学夏宝玉教授团队和新西兰奥克兰大学王子运博士合作，综合利用多种同步辐射原位技术，在质子交换膜（PEM）二氧化碳转换机制的研究中取得重要进展，相关研究成果以“Durable CO2 conversion in the proton-exchange membrane system”为题，于北京时间2月1日发表于《Nature》。
开发各种碳中和技术对于解决能源与环境问题具有重要意义。基于PEM技术的电催化二氧化碳转化（CO2RR）由于可生产高附加值化学品和燃料并可以大电流、长时间稳定工作，是实现工业化碳转换较有前景的方式之一。而利用同步辐射大科学装置的多种先进表征技术研究催化剂在服役状态下的结构演变和反应机理，对于开发酸稳定的碳转换催化剂和膜电极系统具有重要的科学意义和应用价值。
研究人员利用再生铅催化剂（r-Pb）在宽pH范围内取得了较高的CO2RR活性，在2.2 V压下、连续工作5200小时的条件下产生甲酸的法拉第效率超过93%，电流密度达到600 mA/cm2（图1）。
图1.再生铅催化剂膜电极CO2RR的活性与稳定性
为了厘清r-Pb催化剂在CO2RR反应中的真实活性结构，研究人员发展并自研了适用X射线吸收谱的膜电极CO2RR原位装置，分别在合肥光源软X射线磁性圆二色线站（BL12B）和北京光源XAFS线站（1W1B）开展了离线和原位表征，原位X射线吸收谱技术发现r-Pb在CO2RR的还原电位下发生了由Pb/PbSO4向Pb/PbCO3的动态结构演变，金属态Pb与PbCO3在还原电位下一定比例的共存是最终产生甲酸高选择性和活性的关键因素。研究人员进一步基于合肥光源原位红外谱学技术（BL01B），基于自研原位红外装置，采用13C同位素标记的13CO2开展了CO2RR的原位红外研究，发现PbCO3表面的气态CO2会首先经过表面活化过程进入PbCO3晶格，再由晶格中的C转换成最终的HCOOH产物，结合DFT理论计算揭示了r-Pb催化剂的固相动态转变诱导晶格碳活化和CO2转化机理。
中国科学技术大学国家同步辐射实验室姚涛教授、华中科技大学夏宝玉教授、新西兰奥克兰大学王子运博士为本论文的共同通讯作者，本研究受到科技部、国家自然科学基金委等项目资助，并得到国家同步辐射实验室（NSRL）、北京光源（BSRF）和上海光源（SSRF）的同步辐射机时支持。
图2.质子交换膜原位测试装置及同步辐射X射线吸收谱表征
图3.同步辐射原位红外探测
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06917-5