近日，中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姚濤教授團隊與華中科技大學夏寶玉教授團隊和新西蘭奧克蘭大學王子運博士合作，綜合利用多種同步輻射原位技術，在質子交換膜（PEM）二氧化碳轉換機制的研究中取得重要進展，相關研究成果以“Durable CO₂ conversion in the proton-exchange membrane system”為題，于北京時間2月1日發表于《Nature》。

開發各種碳中和技術對于解決能源與環境問題具有重要意義。基于PEM技術的電催化二氧化碳轉化（CO₂RR）由于可生產高附加值化學品和燃料并可以大電流、長時間穩定工作，是實現工業化碳轉換較有前景的方式之一。而利用同步輻射大科學裝置的多種先進表征技術研究催化劑在服役狀態下的結構演變和反應機理，對于開發酸穩定的碳轉換催化劑和膜電極系統具有重要的科學意義和應用價值。

研究人員利用再生鉛催化劑（r-Pb）在寬pH范圍內取得了較高的CO₂RR活性，在2.2 V壓下、連續工作5200小時的條件下產生甲酸的法拉第效率超過93%，電流密度達到600 mA/cm²（圖1）。

圖1.再生鉛催化劑膜電極CO₂RR的活性與穩定性

為了厘清r-Pb催化劑在CO₂RR反應中的真實活性結構，研究人員發展并自研了適用X射線吸收譜的膜電極CO₂RR原位裝置，分別在合肥光源軟X射線磁性圓二色線站（BL12B）和北京光源XAFS線站（1W1B）開展了離線和原位表征，原位X射線吸收譜技術發現r-Pb在CO₂RR的還原電位下發生了由Pb/PbSO₄向Pb/PbCO₃的動態結構演變，金屬態Pb與PbCO₃在還原電位下一定比例的共存是最終產生甲酸高選擇性和活性的關鍵因素。研究人員進一步基于合肥光源原位紅外譜學技術（BL01B），基于自研原位紅外裝置，采用¹³C同位素標記的¹³CO₂開展了CO₂RR的原位紅外研究，發現PbCO₃表面的氣態CO₂會首先經過表面活化過程進入PbCO₃晶格，再由晶格中的C轉換成最終的HCOOH產物，結合DFT理論計算揭示了r-Pb催化劑的固相動態轉變誘導晶格碳活化和CO₂轉化機理。

中國科學技術大學國家同步輻射實驗室姚濤教授、華中科技大學夏寶玉教授、新西蘭奧克蘭大學王子運博士為本論文的共同通訊作者，本研究受到科技部、國家自然科學基金委等項目資助，并得到國家同步輻射實驗室（NSRL）、北京光源（BSRF）和上海光源（SSRF）的同步輻射機時支持。

圖2.質子交換膜原位測試裝置及同步輻射X射線吸收譜表征

圖3.同步輻射原位紅外探測

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06917-5

（核科學技術學院、科研部）