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3月1日，我校基础与前沿研究院董帆教授团队在国际化学顶级期刊Angewandte Chemie International Edition发表最新研究成果“Insights into Dynamic Surface Bromide Sites in Bi4O5Br2 for Sustainable N2 Photofixation”。这也是该团队继今年1月在Angewandte Chemie International Edition发表“The Crystal Plane is not the Key Factor for CO2-to-Methane Electrosynthesis on Reconstructed Cu2O Microparticles”论文后的又一重要研究成果。
“Insights into Dynamic Surface Bromide Sites in Bi4O5Br2 for Sustainable N2 Photofixation”通讯作者为我校基础与前沿研究院董帆教授，博士研究生董兴安为第一作者，电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位。
长期以来，模拟自然光合作用一直是实现太阳能可持续转化为工业化学品的主要思路之一。非均相N2光固定可以在常温常压下利用可再生能源以及水作为氢源，是一种有前途的可持续生产氨的方式，相对于传统哈伯法可大幅降低CO2排放。对非均相光固氮催化机理的深入了解可以为光催化材料和光固氮系统的设计提供新的见解。然而，对在液相中复杂的非均相光催化还原N2仍缺乏机理上的深入认识。基于此，作者在Bi4O5Br2（BOB）超薄纳米片上发现并验证了在光反应下Br缺陷产生并充当活性位点及暗反应下缺陷自发湮灭并保护活性位点的过程，并可通过控制外界条件调控表面Br循环。进一步，利用快速扫描原位FT-IR光谱验证了在含Br缺陷BOB表面（BrV-BOB）光催化还原N2以交替缔合加氢路径进行。最后结合VASP-sol理论计算在液相环境中验证了表面Br缺陷上的N2光催化还原转化为氨的精确反应路径。
图1 快速扫描原位红外光谱测试及吉布斯自由能（图片来源及版权：Angewandte Chemie International Edition及论文作者）
“The Crystal Plane is not the Key Factor for CO2-to-Methane Electrosynthesis on Reconstructed Cu2O Microparticles”通讯作者为我校基础与前沿研究院董帆教授，第一作者为博士后邓邦为，电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位。
电催化还原CO2制取高值燃料是一项重要的负碳技术，为碳中和提供了新的技术选择。晶面可控、稳定性较高的Cu2O微米颗粒被认为是阐明电催化CO2还原反应（CO2RR）机理的良好平台。作者采用电化学原位拉曼和原位表面增强红外光谱（SEIRAS）技术，并结合DFT理论计算揭示了原位重构形成的Cu2O/Cu界面是决定甲烷生成的关键，而不是重构后仍保留的Cu2O初始晶面。研究结果表明，在三个不同晶面的Cu2O微粒上，甲烷的选择性都占据了主导地位，并且它们具有相近的塔菲尔斜率和长周期催化稳定性。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，无论Cu2O的初始晶面如何，*CO中间体都通过Cu2O与Cu之间类似的桥式构型进行质子化生成*CHO（CH4形成的关键中间体）。并且，c-Cu2O/Cu和o-Cu2O/Cu的吉布斯自由能变值（ΔG*CHO）均比ΔG*OCCOH更负，显示更其有利于CH4而不是C2H4的生成。由于乙烯和氢气的选择性均得到了较大抑制，因此在t-Cu2O催化剂上获得了最高的甲烷法拉第效率（71%），部分电流密度约为12.5 mA cm-2。
图2 机理示意图（图片来源及版权：Angewandte Chemie International Edition及论文作者）
论文信息：
Xing’an Dong+, Zhihao Cui+, Xian Shi, Ping Yan, Zhiming Wang, Anne C. Co, Fan Dong*, Insights into Dynamic Surface Bromide Sites in Bi4O5Br2 for Sustainable N2 Photofixation, Angewandte Chemie International Edition, 2022, https://doi.org/10.1002/anie.202200937
Bangwei Deng, Ming Huang, Kanglu Li, Xiaoli Zhao, Qin Geng, Si Chen, Hongtao Xie, Xing’an Dong, Hong Wang, and Fan Dong*, Crystal plane is not the key factor for CO2-to-methane electrosynthesis on reconstructed Cu2O microparticles, Angewandte Chemie International Edition, 2022, https://doi.org/10.1002/anie.202114080
编辑：助理编辑 / 审核：林坤 / 发布：陈伟
