米級高指數(shù)面單晶銅箔庫在定向催化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

CO2作為溫室氣體的主要組成，如何將其有效地俘獲并轉(zhuǎn)化為可用燃料是應(yīng)對氣候變化、能源危機(jī)的重要科學(xué)問題。目前，銅是唯一能夠?qū)O2直接還原成多碳烴類及醇類的金屬催化劑，其產(chǎn)物多達(dá)16種，且反應(yīng)路徑非常復(fù)雜。因此，為進(jìn)一步提高對高附加值化學(xué)品，如乙烯、乙醇等深度還原產(chǎn)物的選擇性，銅電催化還原CO2特定產(chǎn)物的活性位點(diǎn)的研究具有重要意義。然而，目前銅基CO2還原催化劑的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，使得研究人員難以歸屬該反應(yīng)的活性位點(diǎn)，限制了對其反應(yīng)機(jī)制的探索。任何金屬催化劑的表面結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是由多晶面組成的，通過研究單晶表面的催化行為能夠很好地映射復(fù)雜催化劑的催化性質(zhì)。因此，基于大面積單晶銅箔的基礎(chǔ)催化研究，可以為歸屬CO2還原特定產(chǎn)物活性位點(diǎn)提供可能，更是關(guān)聯(lián)理論模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完美橋梁。

近日，復(fù)旦大學(xué)張黎明研究員、北京大學(xué)劉開輝研究員、國立臺灣大學(xué)陳浩銘教授與南洋理工大學(xué)李述周教授等合作研究了不同晶面指數(shù)單晶銅箔上CO2還原的催化行為（圖1a）。研究人員從大面積單晶銅箔的設(shè)計(jì)與篩選出發(fā)，通過研究單晶銅箔表面原子級基元結(jié)構(gòu)與CO2還原產(chǎn)物選擇性的相關(guān)性，明確了銅電催化CO2還原產(chǎn)物的特異性活性位點(diǎn)（圖1b）。該工作展示了一個(gè)CO2電催化還原的基準(zhǔn)體系，可以進(jìn)一步指導(dǎo)銅基CO2還原催化劑的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化。相關(guān)工作以“Product-Specific Active Site Motifs of Cu for Electrochemical CO2 Reduction”為題發(fā)表在Chem期刊上。

圖1. 單晶銅表面原子排布基元序構(gòu)與CO2還原特定產(chǎn)物之間的相關(guān)性 作為當(dāng)代科技的關(guān)鍵材料，銅不僅廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)電力設(shè)備和電子器件中，同時(shí)也是新型二維材料研究中重要的生長襯底。然而，當(dāng)前工程應(yīng)用中絕大多數(shù)銅都是多晶：一方面，其結(jié)構(gòu)中存在大量晶界缺陷，會導(dǎo)致本征導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的顯著降低；另一方面，多晶銅表面取向雜亂，無法用作二維單晶的外延襯底。目前，雖然可以通過提拉法制備出單晶銅錠，并利用機(jī)械切割得到特定的單晶銅晶面，但此類單晶銅尺寸小、價(jià)格貴、晶面種類有限，難以廣泛運(yùn)用。 北京大學(xué)-松山湖材料實(shí)驗(yàn)室-南方科技大學(xué)劉開輝研究員、王恩哥院士、俞大鵬院士等在米級單晶銅箔庫制造方向取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出單晶銅“變異和遺傳”制造新思路，實(shí)現(xiàn)了世界上種類最全（晶面指數(shù)多達(dá)35種）、尺寸最大（約0.2米×0.3米）的高指數(shù)晶面單晶銅箔庫的制備（Nature 2020, 581, 406）。

圖2. 米級高指數(shù)面單晶銅箔庫的制備 利用上述單晶銅箔庫，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了米級單晶石墨烯（Science Bulletin 2017, 62, 1074）和分米級單晶氮化硼單晶的制備（Nature 2019, 570, 91），尺寸均保持為世界紀(jì)錄。米級單晶銅箔庫制造機(jī)理與技術(shù)可推廣至其他單晶金屬和合金金屬的制造，并有望在高功率電機(jī)、低損耗電力傳輸、5G高頻電子器件、選擇性催化、新型二維材料單晶外延等多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

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