弯曲碳纳米管增强碳中和电催化剂

电催化在发展清洁能源、温室气体去除和储能技术方面发挥着至关重要的作用。香港城市大学（城大）的研究人员共同领导的一项研究发现，单壁碳纳米管是通过分子弯曲增强温室气体转化的优良基质

通过使用这些纳米管作为载体在电催化剂上诱导应变，可以显著提高二氧化碳还原为甲醇的效率

这一突破为开发弯曲分子电催化剂开辟了途径，以有效地将二氧化碳（关键温室气体之一）转化为有用的化学品和燃料，从而减少碳排放。这项研究发表在《自然催化》杂志上

许多分子配合物，如酞菁钴（CoPc），是CO2还原反应（CO2RR）的有效催化剂。然而，它们主要将二氧化碳还原为有毒的一氧化碳（CO），而不会进一步产生大量有用的产品，如甲醇。领导这项研究的香港城市大学化学系的叶如泉教授说：“因此，我们希望探索CoPc在CO生产之外的潜力。”

同时，众所周知，应变会影响二维材料的性能，这些材料通常以纳米（nm）为尺度。叶教授解释道：“使用弯曲的基底或支撑物来诱导局部应变，对于调节传统层状材料的性能来说，这是公认的。”

“但由于平面分子的超小尺寸，合理控制平面分子的应变是一项挑战。应变如何影响分子性能仍知之甚少。”

叶教授与合作者一起，带领一个研究小组，采用支持诱导应变工程的方法，在纳米尺度上研究了分子CoPc催化剂的反应性。他们以单壁碳纳米管为载体，成功地将可控应变引入到催化剂的亚2nm分子中

由于分子相互作用，纳米管的曲率在催化分子上引起应变，导致弯曲。使用具有不同直径的碳纳米管基底可以将CoPc分子的弯曲角度调整为96°（对于直径为1 nm的碳纳米管）至1.5°（对于100 nm的碳纳米管）

与传统的平面分子相比，弯曲分子表现出更好的电催化性能。它们显示出更高的CO2还原选择性，有利于甲醇的生产而不是一氧化碳

在单壁碳纳米管上单分散CoPc用于CO2还原的串列流电解槽中，该团队实现了超过90 mA cm−2的甲醇部分电流密度和超过60%的选择性，这意味着CO2对甲醇的总效率为60%。这是对现有方法的显著改进

他们基于理论计算的分析证实，单壁碳纳米管上弯曲的CoPc增强了CO的结合，从而能够减少一氧化碳。相比之下，宽多壁碳纳米管有利于CO的释放。

“我们的研究结果表明，碳纳米管是CoPc等催化剂的特殊载体材料。碳纳米管的大比表面积易于分散纳米颗粒，避免团聚，其高电子导电性使其在电化学应用中很有前景。”叶教授说。

“更重要的是，我们表明，通过单壁碳纳米管诱导分子畸变为设计高性能分子电催化剂提供了一种策略。这一进展有望实现碳中和，因为它可以将二氧化碳和可再生电力作为化学能储存，”他总结道