弧型碳納米管大幅提升電催化劑的碳中和性能

電催化技術在開發清潔能源、清除溫室氣體和能源儲存的技術方面，一直發揮著重要作用。由香港城市大學（城大）研究人員共同領導的最新研究發現，單壁碳納米管是一種能夠誘導催化劑分子彎曲變形，從而大幅提升溫室氣體轉化效能的絕佳載體材料。研究團隊利用這些碳納米管作為支撐載體，誘導電催化劑分子產生應變（彎曲），藉此顯著提高把二氧化碳轉化成甲醇的效率。這一突破性的發現，為開發彎曲分子電催化劑開闢了新的路徑，未來有助把全球主要溫室氣體之一、即二氧化碳更有效地轉化為有用的化學品和燃料，從而應對及紓緩碳排放。

許多分子複合物如酞菁鈷（cobalt phthalocyanine, CoPc），是二氧化碳還原反應（CO₂ reduction reaction, CO₂RR）的高效催化劑。可是，它們主要只會把二氧化碳還原成有毒的一氧化碳，而鮮有進一步把溫室氣體大量轉化成有用的產物如甲醇。「故此，我們希望能探索酞菁鈷（CoPc）在產生一氧化碳之外的其他潛力。」領導這項研究的香港城大化學系葉汝全教授說。

與此同時，科學界已知道「應變」（strain）可影響二維材料的特性，而二維材料的尺寸通常薄至只有納米（nm）級。葉教授解釋說：「使用彎曲的基底或支撐載體來誘導局部應變，早已成為調節傳統層狀材料性能的成熟方法。可是，若要合理地控制平面分子的應變，卻極具挑戰性，因為其體積超小，而且人們對應變之力如何影響分子特性，仍然所知不多。」

葉教授遂聯同其他合作者帶領研究團隊，嘗試採用由支撐載體誘導的應變工程技術，研究納米尺度分子 CoPc 催化劑的反應活性。他們以單壁碳納米管作為支撐載體，成功地對體積僅為兩納米以下的催化劑分子引入了可控應變。由於分子間的相互作用，碳納米管的彎曲會對催化劑分子產生應變，從而導致這些分子彎曲。通過使用不同直徑的碳納米管基底，團隊可以調校CoPc分子的彎曲角度，由 96°（使用直徑僅一納米的碳納米管）到 1.5°（使用直徑為100 納米的碳納米管）不等。

研究發現，與傳統的平面分子相比，彎曲的分子具有更佳的電催化性能。它們對「二氧化碳還原」具有更高的選擇性，有助於把更多的二氧化碳轉化及生產成甲醇而不是有劇毒的一氧化碳。

研究人員利用一個串聯流電解槽，以及用單壁碳納米管做基材實現單分散 CoPc， 進行二氧化碳還原，成功獲得了超過 90 mA cm^-2 的甲醇分電流密度，選擇性亦超過 60%，意味著把二氧化碳轉化為甲醇的總效率高達60%。相比與其他現有方法，今次的高效轉化率是一大躍進。

研究人員基於理論計算作出進一步的分析證實，單壁碳納米管上彎曲的CoPc加強了與一氧化碳分子的結合，使之隨後能夠進一步把一氧化碳轉化為甲醇。相比之下，寬闊的多壁碳納米管較傾向於釋放一氧化碳。

「我們的研究結果表明，碳納米管是CoPc等催化劑的理想支撐載體材料。因為碳納米管的大比表面積，容易分散納米粒子，避免粒子聚在一起，而且具有高電子電導率，因此在電化學應用中極具前景。」葉教授說。

他總結說：「更重要的是，我們證明了通過單壁碳納米管去誘導分子變形，可以成為設計高性能分子電催化劑的一種新策略。這一突破性的研究進展可以將二氧化碳和可再生能源轉化為化學能，有望協助實現碳中和。」

上述研究成果已於科學期刊《自然催化》（Nature Catalysis）上發表，題為〈Strain enhances the activity of molecular electrocatalysts via carbon nanotube supports〉。

論文第一作者為城大化學系博士後蘇建君博士和加州理工學院（Caltech）的 Charles B. Musgrave III。通訊作者為香港城大葉教授及加州理工學院William A. Goddard III教授。

上述研究獲得多個不同機構的支持，包括城大、廣東省基礎與應用基礎研究基金、香港研究資助局和海洋污染國家重點實驗室。