一种结合了铜、金和银的纳米结构将为碳捕获和利用助力

一项描述该过程的研究出现在2022年3月15日的《Nano Research》上。

面对气候变化的挑战，近年来，政策制定者越来越关注碳捕获和利用(CCU)，即从大气中吸取二氧化碳然后将其作为工业化学品的原料，或用于生产碳中性合成燃料。只要后者由清洁电力驱动，它还提供了一种长期储存可再生能源的方法--克服风能和太阳能等能源选项的间歇性的圣杯。

而做到这一切的一个可能方法是通过一个叫做电化学二氧化碳还原反应（eCO2RR，或简称ECR）的化学反应。该反应使用电力通过分离二氧化碳的碳原子和氧原子将气体转化为其他可用的物质。在某些种类的ECR中，水也可以提供氢气“供体”，碳原子通过跟氢气的结合产生各种碳氢化合物或酒精。

ECR的关键是使用正确的催化剂，或其结构和电荷使其能启动或加速化学反应的化学物质。各种不同的金属已被用作催化剂，这取决于需要哪种最终产品。只采用一种金属的催化剂包括生产甲酸的锡、生产一氧化碳的银以及生产甲烷、乙烯或乙醇的铜。

然而，当ECR跟水的电化学分裂中的氢原子的趋势竞争使其跟自己配对而不是与碳原子结合时，该过程的性能可能受到限制。这种竞争可能导致产生不同于所需的化学最终产品。因此，化学家长期以来一直在寻找具有高“选择性”的催化剂。

最近，研究人员不再仅仅使用单一的金属作为催化剂，而是转向使用异质结构，这种结构包含两种不同的材料，它们的组合特性产生了跟单独材料不同或更优越的结果。

一些已经被测试过的用于ECR的异质结构包括将银和钯以树枝状的形式结合起来（AgPd“纳米中心”）以及将两种金属以三明治状、管状、金字塔状和其他形状结合起来。研究人员在包括铜的双金属异质结构方面取得了相当大的成功--铜非常善于将二氧化碳转化为使用两个碳原子的产品。这些双金属异质结构包括银-铜（AgCu）、锌-铜（ZnCu）和金-铜（AuCu），后者对甲烷、C2和一氧化碳的选择性特别成功。

来自天津大学的纳米化学家、该研究的论文共同作者Zhicheng Zhang说道：“我们认为如果两种金属产生了良好的结果，那么三种金属也许会更好。”

因此，研究人员构建了一个三金属纳米结构，该结构结合了金、银和铜且是不对称的形式。三种金属的形状和精确比例则可以通过涉及多个步骤的生长方法进行改变。具体来说，首先合成金“纳米金字塔”并将其作为“种子”用于随后涉及三种金属不同比例的各种三金属结构的生长。

他们发现，由于其异质结构设计的独特形式并通过改变这三种金属的比例，他们可以仔细调整对不同C2基产品的选择性。尤其是乙醇的生产，可以通过使用一种异质结构--其进料比例涉及金和银各一个原子与五个铜原子的组合--实现了最大化。

这项工作为在ECR开发过程中开发其他三金属纳米材料制定了一个有前途的战略。