高指数晶面结构Bi单原子层电催化剂定向还原二氧化碳到甲酸的构效关系和机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    22002131
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    16.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0205.电化学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2020
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2021-01-01 至2022-12-31

项目摘要

CO2 electrochemical reduction to liquid fuel and industrial chemicals with high value by renewable energy, such as solar energy, wind power, can improve the greenhouse effect. Since CO2R products are various and to achieve a directed synthesis is of difficulty, the study on how to obtain a kind of electrocatalyst with high selectivity and high activity becomes a research frontier. This project aims to modify the high-index faceted Pd nanocrystals by a surface modification to bring in a Bi atomic layer, with the realization of directional formate production during CO2R. The surface structure characteristics of Bi atomic layer modified Pd nanocrystals (including the Miller index of the crystalline planes, Bi/BiOx structure, Ag-Bi structure) and the structure-activity relationship of CO2R will be both systematically studied, through surface modification of Pd nanocrystals, the introduction of Ag or some other interesting atoms, and modification of Bi atomic layer structure. After that, the CO2R intermediates located in different wavebands will be detected by electrochemical in-situ vibrational spectroscopies with high sensitivity, including Infrared, Raman and Sum-Frequency Generation spectroscopies, respectively. Then, DFT theoretical calculations will be performed upon the results of electrochemical in-situ vibrational spectroscopies and the structure-activity relationship of CO2R. The mechanism of CO2R to formate at a molecular level will be finally revealed. Bi atomic layer modified Pd nanocrystal should possess a high catalytic activity result from the high-index faceted structure of Pd nanocrystals and from the unique electronic and geometric structure of the atomic layer, and also should have a high selectivity of formate production thanks to Bi. This project is expected to provide new ideas for the design and fabrication of a new kind of CO2R to formate electrocatalyst with high selectivity and high activity.
CO2电化学还原(CO2R)到液体燃料和高值化工原料,可以减缓环境压力,利用可再生能源。CO2R具有多种产物,提高催化剂的选择性实现定向合成极具挑战性,成为该领域的研究前沿。本项目拟制备高指数晶面结构Pd纳米晶,通过表面修饰形成Bi单原子层电催化剂,实现定向CO2R到甲酸液体燃料。通过改变Pd纳米晶的表面结构,掺入Ag等其他元素,调控Bi单原子层的结构,系统研究结构特征(晶面结构,Bi/BiOx结构,Ag-Bi结构)与电催化性能的构效规律。同时,运用红外、拉曼与和频光谱三种优势互补的电化学原位振动光谱,高灵敏地检测位于不同波段的CO2R中间体,结合DFT理论计算,从分子水平揭示Bi单原子层定向催化CO2到甲酸的机理。本项目的研究集成了高指数晶面结构催化剂的高活性、单原子层独特的电子和几何结构、Bi电催化CO2产甲酸高选择性,有望为CO2R产甲酸的高活性和高选择性新型电催剂的设计提供新思路。

结项摘要

电化学CO2还原为将CO2转化为高附加值燃料和工业原料提供了一种有前景的策略。在设计和研究电催化剂以获得碳氢化合物方面虽然取得了重大突破,但该反应仍受到反应产物选择性差和活性低的限制。在已开发和使用的电催化剂中,铋基催化剂是CO2还原过程中产甲酸性能最优的材料之一。然而,铋基催化剂在催化过程中对于产甲酸的过电位过高以及电流密度偏低,限制了其广泛的应用。Bi覆盖度为50%时具有最大的电流密度,约为-0.19 mA cm-2,对应的产甲酸法拉第效率为44.71%,要优于其他Bi覆盖度。对比50%覆盖度的产甲酸法拉第效率(44.71%)要优于满单层的产甲酸法拉第效率(28.46%),表明Pd产生的*H对Bi吸附的CO2分子具有加氢作用。高指数Pd纳米晶载体具有最高的产甲酸法拉第效率,是低指数Pd纳米晶载体的2倍左右,表明高指数晶面Bi能促进CO2还原产甲酸。 基于金属有机框架,在氩气氛围下600°煅烧制备了BiAg双金属(BiAg-600)纳米催化剂。BiAg-600为核壳结构,壳层为富Bi,内核是BiAg分相。相比Bi-600,BiAg-600的产甲酸法拉第效率最高,约97%对应的产甲酸盐偏电流密度为58.6 mA cm-2,甲酸盐产率为974 μmol cm-1 h-1。在流动池测试中,BiAg-600表现出工业级的稳定电流,在200mA cm-2的电流密下具有的产甲酸法拉第效率为94.3%。采用电化学原位衰减全反射红外谱和电化学原位壳层分离金纳米颗粒增强拉曼光谱,结合同位素示踪技术,确认HCO3-不仅仅是pH缓冲液,是CO2从电解质向催化剂表面转移的媒介。BiAg-600上的CO2还原是一个串联反应:在Ag位点上,通过HCO3-的连续消耗和再生(或迁移)模式捕获CO2分子,捕获的CO2*接受CO2*•-的第一个电子,然后在Bi位点上进一步加氢还原为*OCHO-。本项目对深入认识CO2在Bi基催化剂上电化学还原的选择性调控、构效规律和反应机理具有重要意义。项目执行期间在Nature Communications等期刊上共发表包括3篇标注项目号的SCI论文,指导在读硕士研究生1名。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
MOF-derived Single Site Catalysts with Electron-Rich Fe-N4 sites for Efficient Elimination of Trichloroacetamide DBP
具有富电子 Fe-N4 位点的 MOF 衍生单中心催化剂,可有效消除三氯乙酰胺 DBP
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2022.137060
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Lou Yao-Yin;Yin Shuhu;Yang Jian;Ji Lifei;Fang Jiayi;Zhang Shengqi;Feng Mingbao;Yu Xin;Jiang Yan-Xia;Sun Shi-Gang
  • 通讯作者:
    Sun Shi-Gang
The high activity of step sites on Pd nanocatalysts in electrocatalytic dechlorination
Pd纳米催化剂台阶位在电催化脱氯中的高活性
  • DOI:
    10.1039/d1cp04975e
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Physical Chemistry Chemical Physics
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Yao-Yin Lou;Chi Xiao;Jiayi Fang;Tian Sheng;Lifei Ji;Qizheng Zheng;Bin-Bin Xu;Na Tian;Shi-Gang Sun
  • 通讯作者:
    Shi-Gang Sun
Ampere-Level Current Density Ammonia Electrochemical Synthesis 25 using CuCo nanosheets simulating Nitrite reductase bifunctional Nature
使用 CuCo 纳米片模拟亚硝酸还原酶双功能的安培级电流密度氨电化学合成 25 Nature
  • DOI:
    10.1038/s41467-022-35533-6
  • 发表时间:
    2022-12-22
  • 期刊:
    Nature Communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Fang, Jia-Yi;Zheng, Qi-Zheng;Lou, Yao-Yin;Zhao, Kuang-Min;Hu, Sheng-Nan;Li, Guang;Akdim, Ouardia;Huang, Xiao-Yang;Sun, Shi-Gang
  • 通讯作者:
    Sun, Shi-Gang

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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