陽極氧化鈦催化劑實現CO2高效串聯電還原制甲醇

　　甲醇（CH3OH）是一種主要的運輸燃料和化工原料, 全世界每年產量9500萬噸。然而，傳統甲醇生產工藝會導致大量的二氧化碳排放。利用可再生能源發電，電還原二氧化碳（CO2RR）是合成甲醇的一條很有吸引力的路線，然而，該反應仍然缺少高效的電催化劑，亟需開發一種良好活性和高選擇性的催化劑。

　　新加坡國立大學Boon Siang Yeo和巴塞羅那大學Federico Calle-Vallejo等聯合團隊，提出了一種將CO2還原為HCOOH，然后將HCOOH還原為CH3OH的策略，得益于陽極氧化鈦（Tian）催化劑的使用，將電化學惰性的HCOOH還原為CH3OH，提高羧酸的電還原能力，為CO2電還原制甲醇開辟了新的途徑，展現出了工業化應用潛力。研究人員采用串聯策略，首先將CO2還原為甲酸（HCOOH），然后將后者還原為CH3OH；第二步，即甲酸還原（FAR）因為HCOOH具有電化學惰性，使得后一步反應極其困難。為此，研究人員對地球上豐富且相對便宜的元素鈦進行陽極氧化處理（Tian），開發了一種包含Ti3+位點和氧空位的陽極氧化鈦催化劑（TOVs）。表征研究表明，Tian催化劑是高度無定形的，并且在電催化FAR過程中具有TOVs位點。研究人員證明TOVs位點的數量與CH3OH的產生呈正相關，它不僅提高了FAR的CH3OH選擇性，同時抑制了競爭的HER。電化學測試表明 Tian對FAR還原CH3OH表現出明顯的電催化活性，法拉第效率達12.6%，部分電流密度為-2 mA /cm2。進一步測試表明CH3OH是通過CH2O的Cannizzaro歧化反應形成的，而不是電催化還原。DFT計算表明，最有利的反應途徑是通過 *H2COOH中間體的質子化產生CH3OH和*O，填補先前形成的空位。隨后氫化為*OH和H2O(l)再生TOV，完成催化循環。

　　該項研究設計開發了全新的陽極氧化鈦催化劑，受益于含Ti3+位點和氧空位，將電化學惰性甲酸成功還原成CH3OH，從而實現了通過串聯電催化還原CO2合成CH3OH。該項研究表明，在僅以水為氫源的環境條件下，脂肪族羧酸可以直接電還原為醇。這與傳統的使用化學計量試劑（如LiAlH4）還原羧酸形成對比，后者會產生大量的鋰和鋁廢料。這項工作還提供了將長鏈脂肪酸轉化為有價值的醇（例如正丙醇）的替代途徑，為從串聯CO2電解合成CH3OH的催化劑高通量自動化設計開辟道路。相關研究成果發表在《ACS Catalysis》。