中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授姚濤團隊與華中科技大學教授夏寶玉團隊、新西蘭奧克蘭大學博士王子運合作，綜合利用多種同步輻射原位技術，在質子交換膜二氧化碳轉換機制的研究中取得重要進展。相關研究成果近日發表于《自然》雜志。
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。基于質子交換膜技術的電催化二氧化碳轉化，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，是較有前景的實現工業化碳轉換的方式之一。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。
研究人員使用廢舊鉛酸電池制備出了再生鉛催化劑，并利用再生鉛催化劑在寬pH范圍內取得了較高的電催化二氧化碳轉化活性。這種方法在2.2伏特電壓下、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毫安/平方厘米。
為了厘清再生鉛催化劑在電催化二氧化碳轉化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電催化二氧化碳轉化原位裝置，并分別在合肥光源軟X射線磁性圓二色線站和北京光源XAFS線站開展了離線和原位表征。利用原位X射線吸收譜技術，研究人員發現再生鉛催化劑在電催化二氧化碳轉化的還原電位下發生了動態結構演變，金屬態鉛與碳酸鉛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和自研原位紅外裝置，采用碳13同位素標記的二氧化碳開展了電催化二氧化碳轉化的原位紅外研究，發現碳酸鉛表面的氣態二氧化碳會首先經過表面活化過程進入碳酸鉛晶格，再由晶格中的碳轉換成最終的甲酸產物。研究人員結合理論計算揭示了再生鉛催化劑的固相動態轉變誘導晶格碳活化和二氧化碳轉化機理。
姚濤表示，這項研究成果可利用回收的廢舊電池把二氧化碳轉化為具有高經濟價值的甲酸，對碳中和具有重要應用價值。
