金团簇电催化二氧化碳还原反应的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220198

摘要/Abstract

摘要：

二氧化碳电还原反应(CO₂RR)在改善能源利用方式、实现可持续碳循环以及生产高附加值液体燃料和化学品等方面具有广阔的应用前景, 近年来受到广泛关注. 有机配体保护的金团簇具有确定的晶体结构, 其不同的尺寸、配体及组成可以有效调控氧化还原电位, 作为一种独特的模型催化剂, 为探索原子水平的CO₂RR反应机理提供了新机遇. 本文综合评述了纯金团簇和异金属原子掺杂的金团簇催化CO₂RR的研究进展, 包括金团簇的电荷、尺寸、配体以及掺杂对CO₂RR性能的影响, 重点讨论了CO₂RR的反应机理, 总结了金团簇在CO₂RR中所面临的挑战, 并展望了金团簇在CO₂RR中未来的研究方向和发展前景.

关键词: 金团簇, 精确结构, CO₂电还原, 构效关系, 反应机理

Abstract:

Recently， the electrocatalytic CO₂ reduction reaction（CO₂RR） has attracted great attention because its wide application prospects in improving energy utilization， realizing sustainable carbon recycle and producing high value-added liquid fuels and chemicals. Atomically precise gold clusters protected by organic ligands show many advantages for electrocatalysis due to the well-defined structures. The redox potentials can be tuned by their cluster size， ligand， and composition of these clusters. Acted as ideal model catalysts， the gold clusters provide a new opportunity to explore the reaction mechanism of CO₂RR at the atomic level. In this review， the research progress of CO₂RR catalyzed by gold clusters is surveyed， including the effects of the charge， size， ligand and doping of gold nanoclusters on the performances of CO₂RR. Particularly， the reaction mechanism of CO₂RR is discussed in details. Besides， the challenges and prospects of gold nanoclusters in CO₂RR are also presented.

Key words: Gold cluster, Precise structure, CO₂ electroreduction, Structure-activity relationship, Reaction mechanism

中图分类号:

O641.4

TrendMD:

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图/表 15

Table 1 Major products, reactions and potentials of CO2RR

Product	Reaction	Potential/V（vs. RHE^*）
Hydrogen	$2 H + + 2 e - → H 2 (g)$	0
	$C O 2 (g) + e - → C O 2 ? -$	-1.90
Carbon monoxide	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → C O (g) + H 2 O (l)$	-0.10
Formic acid	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → H C O O H (l)$	-0.12
Formaldehyde	$C O 2 (g) + 4 H + + 4 e - → H C H O (l) + H 2 O (l)$	-0.07
Methanol	$C O 2 (g) + 6 H + + 6 e - → C H 3 O H (l) + H 2 O (l)$	0.03
Methane	$C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 4 (g) + 2 H 2 O (l)$	0.17
Ethylene	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 4 g + 4 H 2 O (l)$	0.08
Ethane	$2 C O 2 (g) + 14 H + + 14 e - → C 2 H 6 g + 4 H 2 O (l)$	0.14
Ethanol	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 5 O H (l) + 3 H 2 O (l)$	0.09
Acetic acid	$2 C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 3 C O O H (l) + 2 H 2 O (l)$	0.06
Propanol	$3 C O 2 (g) + 18 H + + 18 e - → C 3 H 7 O H (l) + 5 H 2 O (l)$	0.10

Table 1 Major products, reactions and potentials of CO2RR

Product	Reaction	Potential/V（vs. RHE^*）
Hydrogen	$2 H + + 2 e - → H 2 (g)$	0
	$C O 2 (g) + e - → C O 2 ? -$	-1.90
Carbon monoxide	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → C O (g) + H 2 O (l)$	-0.10
Formic acid	$C O 2 (g) + 2 H + + 2 e - → H C O O H (l)$	-0.12
Formaldehyde	$C O 2 (g) + 4 H + + 4 e - → H C H O (l) + H 2 O (l)$	-0.07
Methanol	$C O 2 (g) + 6 H + + 6 e - → C H 3 O H (l) + H 2 O (l)$	0.03
Methane	$C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 4 (g) + 2 H 2 O (l)$	0.17
Ethylene	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 4 g + 4 H 2 O (l)$	0.08
Ethane	$2 C O 2 (g) + 14 H + + 14 e - → C 2 H 6 g + 4 H 2 O (l)$	0.14
Ethanol	$2 C O 2 (g) + 12 H + + 12 e - → C 2 H 5 O H (l) + 3 H 2 O (l)$	0.09
Acetic acid	$2 C O 2 (g) + 8 H + + 8 e - → C H 3 C O O H (l) + 2 H 2 O (l)$	0.06
Propanol	$3 C O 2 (g) + 18 H + + 18 e - → C 3 H 7 O H (l) + 5 H 2 O (l)$	0.10

Fig.1 Crystal structures of Au25(PET)18(A) and M1Au24(PET)18(M=Pd, Pt, Hg, Cd) nanoclusters(B)Green/pink： Au， magenta： Pd/Pt， light pink： Hg， blue： Cd， yellow： S.

Fig.2 Catalytic performance of metal nanoclusters in CO2RR[56]（A） UV-Vis absorption， PL spectra and difference spectra of Au25 in N2 purged and CO2 saturated dimethylformamide；（B） bader charge analysis showing the change in Au25 valence electrons upon CO2 adsorption； negative values indicate electron loss， and the picture of inset is DFT simulation of a stable CO2 adsorption model on the Au25； Linear sweep voltammetric（LSV） curves of carbon black（CB） supported Au25 catalysts（C） and various Au-based catalysts in CO2 saturated 0.1 mol/L KHCO3（D）；（E） potential-dependent H2 and CO formation rates for Au25/CB；（F） Potential-dependent CO formation rates for the various Au-based catalysts.Copyright 2012， American Chemical Society.

Fig.4 Reaction of [Au11(PPh3)8Cl2]- with NHC precursors to form new NHC?containing gold nanoclusters

Fig.5 Catalytic performance of metal nanoclusters in CO2RR[62]（A） LSV of supported nanoclusters in quiescent N2 purged and CO2 saturated 0.5 mol/L KHCO3；（B） FE and mass activity of CO in CO2RR on Au28/CNTs in 0.5 mol/L KHCO3；（C） I?t test of Au28/CNTs at different fixed voltage；（D） long-term operation of Au28/CNTs.Copyright 2021， John Wiley & Sons， Inc.

Fig.6 Catalytic performance of metal nanoclusters in CO2RR[63]（A） Crystal structure of Au25 nanoclusters with different ligands. Electrocatalytic CO2 reduction performance of various Au25 nanoclusters：（B） FECO；（C） CO mass activity；（D） CO partial current density；（E） total current density.Copyright 2021， the Royal Society of Chemistry.

Fig.7 Structures and catalytic CO2RR performances of Au25 nanosphere and nanorod nanoclusters[64]（A） Atom structures；（B） total current density of CO2 reduction；（C） FEs for CO production；（D） FEs for CO and H2 production at -1.07 and -1.17 V；（E） CO formation rates.Copyright 2018， American Chemical Society.

Fig.8 Selectivity and activity of [Au22H3]3+ and [Au11]3+ in CO2RR to CO[66]FECO（A） and potential?dependent mass activity（B） of the two nanoclusters；（C） DFT structures and energetics of CO2RR on the［Au11］3+（cyan lines） and ［Au22H3］3+（red lines） nanoclusters at 0 V（vs. RHE）.Copyright 2022， American Chemical Society.

Fig.9 Selectivity and activity of metal nanoclusters in CO2RR to CO[42]（A） LSV curves of Au47Cd2（TBBT）31， Au44（TBBT）28 and the ca. 1.5 nm Au NPs in an Ar-saturated（dotted line） and a CO2-saturated（full line） 0.5 mol/L KHCO3 solution；（B） FEs of CO for the catalysts performed with different applied potentials；（C） The corresponding CO partial current density；（D） Stability test conducted at -0.57 V for gold nanoclusters and at -0.67 V for the Au NPs.Copyright 2019， John Wiley & Sons， Inc.

Fig.10 Catalytic performance of metal nanoclusters in CO2RR[41]Crystal structures of Au23（S?c?C6H11）16（A） and Au19Cd2（S?c?C6H11）16（B）（C）； FECO for the Au23（S?c?C6H11）16 and Au19Cd2 （S?c?C6H11）16 with different potentials in a CO2?saturated 0.5 mol/L KHCO3 solution；（D） the corresponding CO partial current density；（E） TOF of CO production for CO2 reduction at different applied potentials；（F） FEH2 for the catalysts performed with different potentials.Copyright 2020， John Wiley & Sons， Inc.

Fig.11 Crystal structures of Au25(PET)18(A), Au24Cd1(PET)18(B), Au19Cd3(S?tol)18(C) and Au38Cd4(d?MBT)30 nanoclusters(D)[68]Green： Au， red： Cd， yellow： S， gray： C.Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.12 Catalytic performance of metal nanoclusters in CO2RR[68]（A） LSV curves of Au25（PET）18， Au24Cd1（PET）18， Au19Cd3（S-tol）18， and Au38Cd4（d-MBT）30 nanoclusters in an Ar-saturated（dotted line） and a CO2-saturated（full line） 1 mol/L KHCO3 solution；（B） FECO for the catalysts examined with different applied potentials；（C） the corresponding CO partial current density； FEs for various CO2RR products obtained on Au25（PET）18 and Au24Cd1（PET）18（D）， Au19Cd3（S-tol）18 and Au38Cd4（d-MBT）30（E）；（F） the stability test conducted at -0.7 V for gold nanocluster.Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.13 Catalytic performances of different metal nanoclusters in CO2RR[69]（A） Crystal structures of Au25（PET）18 and Pd1Au24（PET）18 nanoclusters；（B） the performance of Au nanoclusters in CO2RR： FECO；（C） CO partial current density；（D） CO mass activity；（E） stability of Pd1Au24（PET）18 at -0. 8 V（vs. RHE） for 6 h.Copyright 2020， American Chemical Society.

Fig.14 Catalytic performances of different metal nanoclusters in CO2RR[70]FEs for CO and H2 production measured on the Au25/C/GDE（A） and PtAu24/C/GDE（B） in the CO2?saturated solution of 0.1 mol/L KHCO3 and 0.4 mol/L KCl at various applied potentials； the corresponding electric current density obtained on the Au25/C/GDE（C） and PtAu24/C/GDE（D） at various potentials；（E） calculated（shaded） and experimentally determined（filled） H2/CO mole ratio on formulated Au25 and PtAu24.Copyright 2021， AIP Publishing LLC.

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