氢键策略：推动二氧化碳转化为可再生燃料的创新方法

来自 实验室仪器网

研究人员开发出一种新颖的催化剂设计，可以稳定二氧化碳还原中的关键中间体，从而显著提高效率。

将废弃的二氧化碳催化转化为增值燃料和化学品，为环境可持续性和经济增长带来了重大机遇。在众多新兴策略中，电催化二氧化碳还原反应(CORR)因其能够在相对温和的条件下高效地将二氧化碳转化为清洁化学能而备受关注。然而，其主要挑战之一仍然是生成*COOH中间体（通常是CORR中的速率控制步骤）所需的高能垒，这导致整体效率降低。

中国科学院中国科学技术大学姜海龙教授和焦龙教授领导的研究团队，从酶催化机制中汲取灵感，开发出一种增强二氧化碳电还原反应的创新方法。通过设计和调控催化位点周围的氢键微环境，该团队成功稳定了COOH中间体，并提高了反应性能。他们的研究成果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

在本研究中，研究人员采用后合成改性法，将具有催化活性的Co(salen)单元和吡啶基取代的烷基羧酸(X-PyCn)共接枝到铪基金属有机骨架(MOF)纳米片(MOFN)上。所得材料被命名为Co&X-PyCn/MOFN（其中X=o、m或p表示吡啶氮的位置，n=1或3表示烷基链的长度），从而可以精确控制吡啶氮原子相对于Co(salen)中心的空间位置。这种原子级控制为微调局部催化环境提供了强有力的工具。

在该系列中，Co&p-PyC3/MOFN表现最佳，与未改性的Co/MOFN和其他X-PyCn变体相比，其表现出显着增强的催化活性和CO2还原选择性。

这项研究的一个关键发现是在电化学过程中原位生成吡啶基自由基（PyrH•）。这些PyrH•物种被证明对于创造有效的微环境，从而提高催化性能至关重要。

进一步的机理分析表明，PyrH•与电解质中的三氟乙醇(TFE)发生协同作用，通过形成氢键连接的COOH···TFE···PyrH•三元组来稳定COOH中间体。这种相互作用有效降低了反应的能垒，并为理解局部化学环境如何影响催化行为提供了新的思路。

这项研究强调了微环境调节在提高催化效率方面的重要作用，并为未来催化剂设计和机理探索的研究提供了一个有希望的方向。

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