催化学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (12): 3134-3141.DOI: 10.1016/S1872-2067(22)64116-0

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通过双活化策略在Ag-CeO2电催化剂上用苯乙酮高效固定CO2

关安翔a,, 全粤莉a,, 陈杨屾a, 刘铮铮a, 张俊波a, 阚淼a, 张全a, 黄浩量b, 钱林平a, 张林娟b, 郑耿锋a,*()   

  1. a复旦大学先进材料实验室, 复旦大学化学系和上海市分子催化与创新材料重点实验室, 上海200438
    b中国科学院上海应用物理研究所界面物理与技术重点实验室, 上海201800
  • 收稿日期:2022-03-29 接受日期:2022-04-27 出版日期:2022-12-18 发布日期:2022-10-18
  • 通讯作者: 郑耿锋
  • 作者简介:第一联系人:

    共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家重点研发项目(2018YFA0209401);国家自然科学基金(22025502);国家自然科学基金(21975051);上海市科学技术委员会资助项目(21DZ1206800);上海市教育委员会创新项目(2019-01-07-00-07-E00045)

Efficient CO2 fixation with acetophenone on Ag-CeO2 electrocatalyst by a double activation strategy

Anxiang Guana,, Yueli Quana,, Yangshen Chena, Zhengzheng Liua, Junbo Zhanga, Miao Kana, Quan Zhanga, Haoliang Huangb, Linping Qiana, Linjuan Zhangb, Gengfeng Zhenga,*()   

  1. aLaboratory of Advanced Materials, Department of Chemistry and Shanghai Key Laboratory of Molecular Catalysis & Innovative Materials, Fudan University, Shanghai 200438, China
    bKey Laboratory of Interfacial Physics and Technology, Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
  • Received:2022-03-29 Accepted:2022-04-27 Online:2022-12-18 Published:2022-10-18
  • Contact: Gengfeng Zheng
  • About author:First author contact:Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Key Research and Development Program of China(2018YFA0209401);National Natural Science Foundation of China(22025502);National Natural Science Foundation of China(21975051);Science and Technology Commission of Shanghai Municipality(21DZ1206800);Shanghai Municipal Education Commission(2019-01-07-00-07-E00045)

摘要:

二氧化碳(CO2)是一种主要的温室气体, 对全球气候变化和生态环境造成了很大影响. 同时, CO2也是一种无毒、廉价、丰富的C1资源, 可用于合成用作燃料和药物的各种有机化合物. 因此, 模拟植物光合作用对CO2进行固定成为了众多科研工作者的研究热点. 电化学羧化是将CO2固定在有机分子上的一种有效方法, 并且已被证明可以通过构建新的C-C键, 使CO2与各种底物(包括酮、二烯和类卤化物等)发生电羧化反应, 形成羧酸化合物. 然而, 由于CO2分子本身的热力学和动力学惰性, 使得CO2分子的活化颇具挑战性, 难以实现高效转化. 目前, 许多研究致力于开发各种用于CO2转化的反应模型和催化剂. 例如, 结合单个CO2分子形成不同羧酸的单羧基化反应. 酮类化合物与CO2的电羧化反应是实现CO2固定并合成羧酸的一种有效途径, 得到的羧酸产物可作为许多生物活性化合物的来源. 然而, 在CO2和芳香酮的电羧化反应中, 由于二者的活化具有较大的过电位差异, 会严重阻碍电羧化反应的效率并导致产物收率较低. 研究表明可以通过同时激活CO2分子和有机底物以促进目标羧化产物的形成. 该策略为改善CO2和芳族酮之间的电羧化反应效率提供了思路.

本文合成了一种Ag掺杂的CeO2纳米线(Ag-CeO2 NWs)作为催化苯乙酮和CO2进行电羧化反应的催化剂. 该催化剂能够起到同时活化CO2和苯乙酮分子的作用, 实现双重活化的目的. 在双重活化策略下, 苯乙酮与CO2的电羧化反应可以通过将CO2活化为CO2•-, 然后通过自由基的形式加成到苯乙酮的双键上; 或者, 苯乙酮分子被活化成苯乙酮自由基阴离子, 苯乙酮自由基阴离子通过亲核反应与CO2偶联, 最终形成羧酸产物. 与银箔、银纳米颗粒和CeO2纳米线相比, Ag-CeO2纳米线催化剂可以有效降低CO2和苯乙酮分子活化之间的起始电位差, 从而能够有效地电羧化形成2-苯乳酸. 在-1.8 V vs. Ag/AgI电位下, 生成2-苯乳酸的法拉第效率高达91%, 收率为83.2%. 综上, 本文同时激活CO2和有机底物分子的双重活化策略有利于指导催化剂的设计, 从而提高CO2固定效率, 进而提高电羧化反应的活性和选择性.

关键词: 电羧化反应, 二氧化碳还原, 电催化剂, Ag-CeO2, 双重活化策略

Abstract:

The electrocarboxylation reaction is an attractive means to convert CO2 into valuable chemicals under ambient conditions, while it still suffers from low efficiency due to the high stability of CO2. In this work, we report a double activation strategy for simultaneously activating CO2 and acetophenone by silver-doped CeO2 (Ag-CeO2) nanowires, featuring as an effective electrocatalyst for electrocarboxylation of acetophenone with CO2. Compared to the Ag foil, Ag nanoparticles and CeO2 nanowires, the Ag-CeO2 nanowire catalyst allowed to reduce the onset potential difference between CO2 and acetophenone activation, thus enabling efficient electrocarboxylation to form 2-phenyllactic acid. The Faradaic efficiency for producing 2-phenyllactic acid reached 91% at -1.8 V versus Ag/AgI. This double activation strategy of activating both CO2 and organic substrate molecules can benefit the catalyst design to improve activities and selectivities in upgrading CO2 fixation for higher-value electrocarboxylation.

Key words: Electrocarboxylation, CO2 reduction, Electrocatalyst, Ag-CeO2, Double activation strategy