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オペランド時間分解X線吸収分光法により、高選択的なCO還元を可能にする化学的性質を明らかにした
Operando time-resolved X-ray absorption spectroscopy reveals the chemical nature enabling highly selective CO reduction.
PMID: 32665607 DOI: 10.1038/s41467-020-17231-3.
抄録
銅電極触媒は、二酸化炭素を選択的に炭化水素に還元することが示されている。それにもかかわらず、時間分解分光法に基づく系統的な研究が行われていないため、選択性のための機能剤（金属銅か酸化銅のいずれか）を決定することができません。ここでは、作動する触媒の化学状態の変化を明らかにするために、オペランド秒分解X線吸収分光法を開発した。酸化物由来の銅電極触媒をモデル触媒として用い、二酸化炭素還元反応（CORR）における金属状態の役割を科学的に解明する。ポテンシャルスイッチング法を用いて、モデル触媒はハーフ-Cu(0)-ハーフ-Cu(I)の安定な化学状態を達成し、選択的に不斉なC生成物であるCHOHを生成することができます。さらに、理論解析の結果、Cu-Cu(I)アンサンブルで構成された表面には、一酸化炭素分子が非対称に結合した二重の一酸化炭素分子が存在し、C生成物に対する触媒のCORR生成物選択性を高める可能性があることが明らかになった。この結果は、基本的な化学状態を理解し、選択的なCORRの確立に向けた洞察を提供するものである。
Copper electrocatalysts have been shown to selectively reduce carbon dioxide to hydrocarbons. Nevertheless, the absence of a systematic study based on time-resolved spectroscopy renders the functional agent-either metallic or oxidative Copper-for the selectivity still undecidable. Herein, we develop an operando seconds-resolved X-ray absorption spectroscopy to uncover the chemical state evolution of working catalysts. An oxide-derived Copper electrocatalyst is employed as a model catalyst to offer scientific insights into the roles metal states serve in carbon dioxide reduction reaction (CORR). Using a potential switching approach, the model catalyst can achieve a steady chemical state of half-Cu(0)-and-half-Cu(I) and selectively produce asymmetric C products - CHOH. Furthermore, a theoretical analysis reveals that a surface composed of Cu-Cu(I) ensembles can have dual carbon monoxide molecules coupled asymmetrically, which potentially enhances the catalyst's CORR product selectivity toward C products. Our results offer understandings of the fundamental chemical states and insights to the establishment of selective CORR.