韓治際教授課題組:分子鎳巯基配合物電催化還原CO2獲取C1−3烴

通過可再生能源驅動還原二氧化碳（CO₂）為高附加值燃料和化工原料是實現能源和環境可持續發展的一種重要途徑。在衆多CO₂還原的催化劑中，分子催化劑具有明确的分子結構，高度可調控性等優點，有利于深入的研究CO₂還原的反應機理，尤其是多碳鍵的形成。然而，由于催化過程中一些關鍵步驟（如C-H鍵活化和C-C鍵偶聯等）存在着高能量壁壘，開發可以形成多碳産品的分子催化劑具有較大的困難和挑戰。

自然界的 [Ni-Fe]-氫化酶和一氧化碳脫氫酶能夠進行高選擇性的質子或二氧化碳還原，這兩類酶的催化中心均涉及鎳-硫配位結構。鑒于此，太阳集团1088vip韓治際教授課題報道了一系列同時具備此兩類酶催化活性特性的鎳巯基配合物(圖1)，首次實現分子催化劑上實現了二氧化碳還原為C₃（丙烯和丙烷）等多碳産物，碳水化合物的總法拉第效率高達41.1%。 

圖1鎳巯基配合物

作者通過對比不同配原子的鎳巯基配合物，篩選出系列中活性最高的配合物5。在可逆氫電極−1.0 V的條件下，配合物5的C₁、C₂、C₃碳氫化合物的法拉第效率(FEs)分别為10.6%、7.2%和8.2%。結果表明，Ni−CO為反應中的重要中間體，系統在一氧化碳的條件下可以顯著促進配合物的催化活性，其中C₁、C₂、C₃烴的FEs分别提高至18.8%、12.1%和8.7%。研究通過各類光譜，如：NMR、CV、UV-vis、ESI-MS、XPS、DLS、SEM和HR-TEM等，對催化過程中催化劑的變化進行了詳細的研究，充分證明了此類配合物的結構在CO₂還原過程中保持完整。該工作為仿生催化劑的合成和CO₂還原的機理研究均提供了新的研究思路。

圖2 二氧化碳還原性能圖

圖3 二氧化碳還原機理圖

相關成果以 “Molecular Nickel Thiolate Complexes for Electrochemical Reduction of CO₂ to C₁₋₃ Hydrocarbons” 為題發表于Angewandte Chemie International Edition (DOI: 10.1002/anie.202211804)，并被評為VIP文章。韓治際教授為通訊作者，太阳集团1088vip2018級博士生杜傑毫為第一作者。太阳集团1088vip為本成果的唯一通訊單位。