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从石墨烯到二硫化钼，到钴和四氧化三钴，二维材料总是给人意外之喜。中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室谢毅院士、孙永福特任教授课题组设计新型二维电催化材料，将二氧化碳高效“清洁”地转化成液体燃料。该成果已于1月7日在线刊登在Nature (2016, 529, 68-72, DOI 10.1038/ nature16455)。
文末可聆听谢毅老师关于这一工作的研究感悟。点击“阅读原文”，还可下载Nature原文。

如何有效地减少空气中的二氧化碳，以缓解温室效应和全球气候变暖，科学界做了很多工作。当前，捕获空气中的二氧化碳已经进入小型工业化阶段，利用二氧化碳也有多种方案，如使用不同的催化剂，通过光催化、电催化、光电催化和加氢气整合等方式来还原二氧化碳，产生甲烷、甲酸、甲醛、甲醇等工业原料。然而，现有的方法或需要采用昂贵的贵金属催化剂，或产生多种产物造成后续分离困难，结果并不理想。因此科学界还在不断探索更为有效的方案，其中关键步骤，是如何将CO2活化成CO2*−或者其他形式的中间产物，以便进一步的转化。

前不久，谢毅、孙永福课题组设计了一种杂化模型体系用来研究金属表面氧化物对其自身金属电催化性能的影响。她们发现，钴和钴氧化物杂化的超薄二维材料能够大幅度地提高其原本很低的对二氧化碳的催化还原性能。
课题组制备了2种只有4个原子厚的二维层状材料，一种是纯金属Co，一种是部分氧化的Co，其中Co与Co3O4共存。在CO2还原过程中，Co金属主要用于产生HCOO−。她们发现：对于将CO2催化活化为HCOO−，这种原子级超薄二维材料表面的Co原子比体相材料表面的Co原子有更高的活性和选择性，而且所需要的过电位更低。 而对超薄原子层的部分氧化，则能够进一步提高其催化活性。最终，课题组实现在40小时内持续得到10mA/cm2的稳定电流密度，所需要的过电位仅为0.24V，是至今为止最低的。
这一结果表明，具备特别排列方式和氧化价态的钴具有更高的催化二氧化碳的活性 - 超薄二维结构和金属氧化物的存在提高了钴催化还原二氧化碳的能力。这一发现有助于让研究者们重新思考如何获得高效和稳定的二氧化碳电还原催化剂，对推动电催化还原二氧化碳机理研究也具有重要的意义。
什么是电还原过程
电还原过程是利用电催化剂在外加电场的作用下将二氧化碳转化成不同种类的化学品。这个过程有潜力成为一种“清洁”的给工业提供原本依赖化石燃料合成的化学品的方式，即在消耗二氧化碳的同时也产生一些有用的化学品。不过，二氧化碳的活化一直是这一个过程中的瓶颈，往往需要消耗大量的能量。近年来，有报道显示通过金属氧化物还原得到的金属催化剂比通过其它方法制备的金属催化活性要高，甚至能将二氧化碳的还原电位降低到热力学的最小值。但是金属表面氧化物对其自身金属的电还原性能的影响机制还不清楚，这主要是因为以前制备的催化剂中含有大量的微结构如界面、缺陷等，很容易掩盖住表面金属氧化物对其自身金属催化性能的影响。谢毅、孙永福课题组的发现为阐明这些问题指明了方向 - 研究相对干净的模型体系，“我们做二维就是这个出发点，” 谢毅院士说，“就是为了建立的模型体系清晰，结构性能关系清晰”，最初并不是为了追求好性质。
而这意外之喜，恰恰是学者研究的乐趣所在。。。
文末点击“阅读原文”可下载Nature原文PDF。
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错过了石墨烯，还有他的表兄弟们可以期待！
本文部分资料由谢毅院士提供，特别致谢
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