弧型碳纳米管大幅提升电催化剂的碳中和性能
电催化技术在开发清洁能源、清除温室气体和能源储存的技术方面，一直发挥着重要作用。由香港城市大学（城大）研究人员共同领导的最新研究发现，单壁碳纳米管是一种能够诱导催化剂分子弯曲变形，从而大幅提升温室气体转化效能的绝佳载体材料。研究团队利用这些碳纳米管作为支撑载体，诱导电催化剂分子产生应变（弯曲），借此显著提高把二氧化碳转化成甲醇的效率。这一突破性的发现，为开发弯曲分子电催化剂开辟了新的路径，未来有助把全球主要温室气体之一、即二氧化碳更有效地转化为有用的化学品和燃料，从而应对及纾缓碳排放。
许多分子复合物如酞菁钴（cobalt phthalocyanine，CoPc），是二氧化碳还原反应（CO2 reduction reaction，CO2RR）的高效催化剂。可是，它们主要只会把二氧化碳还原成有毒的一氧化碳，而鲜有进一步把温室气体大量转化成有用的产物如甲醇。“故此，我们希望能探索酞菁钴（CoPc）在产生一氧化碳之外的其他潜力。”领导这项研究的城大化学系叶汝全教授说。
与此同时，科学界已知道“应变”（strain）可影响二维材料的特性，而二维材料的尺寸通常薄至只有纳米（nm）级。叶教授解释说：“使用弯曲的基底或支撑载体来诱导局部应变，早已成为调节传统层状材料性能的成熟方法。可是，若要合理地控制平面分子的应变，却极具挑战性，因为其体积超小，而且人们对应变之力如何影响分子特性，仍然所知不多。“
叶教授遂联同其他合作者带领研究团队，尝试采用由支撑载体诱导的应变工程技术，研究纳米尺度分子 CoPc 催化剂的反应活性。他们以单壁碳纳米管作为支撑载体，成功地对体积仅为两纳米以下的催化剂分子引入了可控应变。由于分子间的相互作用，碳纳米管的弯曲会对催化剂分子产生应变，从而导致这些分子弯曲。通过使用不同直径的碳纳米管基底，团队可以调校CoPc分子的弯曲角度，由 96°（使用直径仅一纳米的碳纳米管）到 1.5°（使用直径为100纳米的碳纳米管）不等。
研究发现，与传统的平面分子相比，弯曲的分子具有更佳的电催化性能。它们对“二氧化碳还原”具有更高的选择性，有助于把更多的二氧化碳转化及生产成甲醇而不是有剧毒的一氧化碳。
研究人员利用一个串联流电解槽，以及用单壁碳纳米管做基材实现单分散 CoPc，进行二氧化碳还原，成功获得了超过 90 mA cm-2 的甲醇分电流密度，选择性亦超过 60%，意味着把二氧化碳转化为甲醇的总效率高达60%。相比与其他现有方法，这次的高效转化率是一大跃进。
研究人员基于理论计算作出进一步的分析证实，单壁碳纳米管上弯曲的CoPc加强了与一氧化碳分子的结合，使之随后能够进一步把一氧化碳转化为甲醇。相比之下，宽阔的多壁碳纳米管较倾向于释放一氧化碳。
“我们的研究结果表明，碳纳米管是CoPc等催化剂的理想支撑载体材料。因为碳纳米管的大比表面积，容易分散纳米粒子，避免粒子聚在一起，而且具有高电子电导率，因此在电化学应用中极具前景。”叶教授说。
他总结说：“更重要的是，我们证明了通过单壁碳纳米管去诱导分子变形，可以成为设计高性能分子电催化剂的一种新策略。这一突破性的研究进展可以将二氧化碳和可再生能源转化为化学能，有望协助实现碳中和。”
上述研究成果已于科学期刊《自然催化》（Nature Catalysis）上发表，题为〈Strain enhances the activity of molecular electrocatalysts via carbon nanotube supports〉。
论文第一作者为城大化学系博士后苏建君博士和加州理工学院（Caltech）的 Charles B. Musgrave III。通讯作者为城大叶教授及加州理工学院 William A. Goddard III教授。
上述研究获得多个不同机构的支持，包括城大、广东省基础与应用基础研究基金、香港研究资助局和海洋污染国家重点实验室。
