离子液体体系中电催化CO2高效转化制备C2以上醇和酸的研究

Efficient conversion of CO2 into important chemicals under mild conditions is highly desirable. However, many techniques present thermodynamic and kinetic barriers. Electrochemical method is one of the most promising approaches for sequential conversion of CO2 to valuable chemicals. In this project, a series of electrolyte-electrocatalyst system will be developed for the electrocatalytic conversion of CO2 to C2+ alcohols and organic acids. For this purpose, a series of electrolyte solutions such as ionic liquid, ionic liquid / water, ionic liquid / organic solvent, ionic liquid/organic solvent/water will be designed and various organometallic complexes will be selected as electrocatalytic materials. The influence of current efficiency, product selectivity and electrode stability in the electrocatalytic reaction of the electrolyte and the interaction between electrolyte and CO2 was systematically studied by combining experimental and theoretical calculations. The synergistic effect between electrolyte and electrocatalyst, the regularity of C=O bond activation and the formation mechanism of C-H, C-C and C-O bonds will be investigated for obtaining a series of new methods for efficient conversion of C2+ alcohols and organic acids. The results of this project will lay the foundation for developing an efficient approach for the electrochemical conversion of CO2 to important chemicals.

温和条件下CO2高效转化为重要化学品是重要的前沿课题，但涉及热力学和动力学两大难题。采用电化学方法在温和条件下转化CO2是解决这一难题的有效途径之一。本项目针对电催化CO2高效转化为C2以上醇类、酸类化合物的反应，设计和筛选一系列离子液体、离子液体/水、离子液体/有机溶剂、离子液体/有机溶剂/水等电解质溶液，设计和制备金属有机配合物为电催化材料，构建一系列电解液-催化材料体系。将实验和理论计算相结合，系统研究电解液与催化材料的组成与结构、电解质与CO2相互作用等电催化反应中电流效率、产物选择性、电极稳定性的影响规律和机理。探索电解质与催化材料之间的匹配和协同效应规律，揭示电化学反应过程中CO2的C=O键活化规律及C-H、C-C、C-O键等相关化学键的形成规律和机理，获得一系列电催化CO2高效转化为C2以上醇类、酸类化合物的新方法和新途径，为电化学高效转化CO2为重要化学品奠定科学基础。

CO2电化学转化作为一项具有大规模减排CO2潜力的技术，具有广阔的应用前景。本项目围绕高效电催化转化CO2制备醇类、羧酸类及其他重要化学品开展系统研究。采用离子液体和水为电解液，将电解液与催化材料设计有机结合，发展了一系列绿色、高效的CO2电化学转化路线。实现了绿色体系中高效电催化转化CO2制备甲醇、甲酸、乙醇、乙酸、乙烯等重要化学品。本项目首次发现离子液体混合溶剂中铜金属硒化物电极上可高效电催化转化CO2为甲醇；设计了铜配合物衍生铜-氧化亚铜的电合成方法，用于高效电催化还原CO2制备乙醇和乙酸；开发了以空心铜基金属有机框架为前驱体，介导原位合成树枝状铜电极，高效电催化还原CO2制备甲酸；同时发现，以多种三维结构金属/聚合物杂化材料为电催化剂，可高效还原CO2为乙烯、CO和甲酸；设计了缺陷硒化铟材料，并采用离子液体混合溶剂为电解液，电催化还原CO2和水高效制备合成气；设计了纳米多孔双金属氧化物材料，在水溶液中高效电催化还原CO2为甲酸；探索了电极浸润性调控及其电化学还原CO2制备合成气性能；结合以上工作，侧重讨论了离子液体体系中电催化CO2还原领域近年来的研究进展和挑战；总结了目前碳捕获、利用和储存的技术发展现状，为碳中和相关技术开发提供理论支持。本项目取得了一系列创新性研究成果，包括第一/通讯作者文章Nat. Commun.（2）、 Angew. Chem. Int. Ed.（3）、Green Chem. (2)等9篇，其中影响因子大于10的5篇。培养博士研究生4人，硕士研究生1人。