一種結合了銅、金和銀的納米結構將為碳捕獲和利用助力

一項描述該過程的研究出現在2022年3月15日的《Nano Research》上。

面對氣候變化的挑戰，近年來，政策制定者越來越關注碳捕獲和利用(CCU)，即從大氣中吸取二氧化碳然后將其作為工業化學品的原料，或用于生產碳中性合成燃料。只要后者由清潔電力驅動，它還提供了一種長期儲存可再生能源的方法--克服風能和太陽能等能源選項的間歇性的圣杯。

而做到這一切的一個可能方法是通過一個叫做電化學二氧化碳還原反應（eCO2RR，或簡稱ECR）的化學反應。該反應使用電力通過分離二氧化碳的碳原子和氧原子將氣體轉化為其他可用的物質。在某些種類的ECR中，水也可以提供氫氣“供體”，碳原子通過跟氫氣的結合產生各種碳氫化合物或酒精。

ECR的關鍵是使用正確的催化劑，或其結構和電荷使其能啟動或加速化學反應的化學物質。各種不同的金屬已被用作催化劑，這取決于需要哪種最終產品。只采用一種金屬的催化劑包括生產甲酸的錫、生產一氧化碳的銀以及生產甲烷、乙烯或乙醇的銅。

然而，當ECR跟水的電化學分裂中的氫原子的趨勢競爭使其跟自己配對而不是與碳原子結合時，該過程的性能可能受到限制。這種競爭可能導致產生不同于所需的化學最終產品。因此，化學家長期以來一直在尋找具有高“選擇性”的催化劑。

最近，研究人員不再僅僅使用單一的金屬作為催化劑，而是轉向使用異質結構，這種結構包含兩種不同的材料，它們的組合特性產生了跟單獨材料不同或更優越的結果。

一些已經被測試過的用于ECR的異質結構包括將銀和鈀以樹枝狀的形式結合起來（AgPd“納米中心”）以及將兩種金屬以三明治狀、管狀、金字塔狀和其他形狀結合起來。研究人員在包括銅的雙金屬異質結構方面取得了相當大的成功--銅非常善于將二氧化碳轉化為使用兩個碳原子的產品。這些雙金屬異質結構包括銀-銅（AgCu）、鋅-銅（ZnCu）和金-銅（AuCu），后者對甲烷、C2和一氧化碳的選擇性特別成功。

來自天津大學的納米化學家、該研究的論文共同作者Zhicheng Zhang說道：“我們認為如果兩種金屬產生了良好的結果，那么三種金屬也許會更好?！?/p>

因此，研究人員構建了一個三金屬納米結構，該結構結合了金、銀和銅且是不對稱的形式。三種金屬的形狀和精確比例則可以通過涉及多個步驟的生長方法進行改變。具體來說，首先合成金“納米金字塔”并將其作為“種子”用于隨后涉及三種金屬不同比例的各種三金屬結構的生長。

他們發現，由于其異質結構設計的獨特形式并通過改變這三種金屬的比例，他們可以仔細調整對不同C2基產品的選擇性。尤其是乙醇的生產，可以通過使用一種異質結構--其進料比例涉及金和銀各一個原子與五個銅原子的組合--實現了最大化。

這項工作為在ECR開發過程中開發其他三金屬納米材料制定了一個有前途的戰略。