石墨烯片和镍将二氧化碳转化为可用能量

在能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的美国能源部研究人员已经发现了一种新电能够有效地将CO转化科学合作的一部分，2一氧化碳（CO），一个高能量的分子。

“有很多方法可以使用CO，”布鲁克海文的科学家，该论文的作者Eli Stavitski说。“你可以用它来反应生成富含能量的氢气，或用氢气生产有用的化学物质，如碳氢化合物或酒精。如果有一个可持续发展的，具有成本效益的途径来改变CO 2到CO，这将有利于社会的极大”。实际上，科学家们一直在寻找一种方法来做到这一点，但传统的电催化剂无法有效地引发反应。这是因为称为氢析出反应（HER）或“水分解”的竞争反应优先于CO 2转化反应。

一些贵金属如金和铂可以避免HER并将CO 2转化为CO，但这些是相对稀有的并且太昂贵而不能用作具有成本效益的催化剂。这样，以将CO转化2到CO以具有成本效益的方式，科学家使用的催化剂的一个全新的形式。他们使用单个镍原子代替贵金属纳米粒子。“镍金属，散装的，很少被选定为有希望的候选转换的CO 2到CO，”昊天王，罗兰研究员哈佛大学和纸张对应的作者说。“一个原因是它很好地完成了HER，并降低了二氧化碳排放量显着降低选择性。另一个原因是因为如果产生任何CO分子，其表面很容易被CO分子中毒。

“单个原子更喜欢生产CO，而不是竞争HER，因为大块金属的表面与单个原子非常不同，”Stavitski说。另一位布鲁克海文科学家和该论文的共同作者补充道，“金属表面具有一种能量潜力 - 它是均匀的。而在一个原子上，表面上的每个地方都有不同的能量。“

除了单个原子独特的能量特性之外，镍原子与周围的石墨烯片相互作用促进了CO 2对话反应。将原子锚定在石墨烯上使科学家能够调整催化剂并抑制HER。

为了进一步了解原子级薄石墨烯片中的各个镍原子，科学家们在布鲁克海文功能纳米材料中心（CFN）使用扫描透射电子显微镜（STEM），该中心是美国能源部科学用户设施办公室。通过在样品上扫描电子探针，科学家们能够观察到石墨烯上的离散镍原子。

“单个原子通常是不稳定的，往往会聚集在载体上，”同时也是CFN科学家和论文合着者的董苏补充道。“然而，我们发现各个镍原子均匀分布，这是转化反应的优异性能。”

“光子或光粒子与镍原子中的电子相互作用，做两件事，”斯塔维茨基说。“它们将电子发送到更高的能量状态，通过绘制这些能量状态，我们可以了解电子配置和材料的化学状态。当我们增加光子的能量时，它们将电子从原子中踢出并与相邻元素相互作用。“实质上，这为科学家们提供了镍原子局部结构的图像。

根据哈佛大学，NSLS-II，CFN和其他研究机构的研究结果，科学家发现单个镍原子催化CO 2 转化反应的效率最高达97％。科学家说这是朝向回收CO的主要步骤2 为可用能量和化学品。

“为了将这项技术应用于未来的实际应用，我们目前的目标是以廉价和大规模的方式生产这种单原子催化剂，同时提高其性能并保持其效率，”Wang说。

这项研究部分得到了哈佛大学罗兰研究所的支持。美国能源部科学办公室支持CFN和NSLS-II的运营。