【催化】Pt/N摻雜的碳納米纖維用於CO2的電化學還原及羧化

2021-02-23 X-MOL資訊

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CO2是最主要的溫室氣體之一，同時也是一種廉價無毒、來源廣泛的C1資源。使用化學方法固定CO2不但具有環保價值，還可以獲得具有一定經濟價值的化學產品，因而得到越來越多的關注。例如，CO2的電化學還原可以用化學能的形式轉化和儲存太陽能、風能等可再生能源。另外，CO2與有機化合物分子可發生羧化反應，可以獲得具有生物活性的羧酸等產物，具有很高的經濟價值。儘管CO2電還原與CO2羧化反應都已經得到大量的文獻報導，但是單一催化劑同時具有兩種催化反應活性的仍然非常罕見。

近日，深圳大學的何傳新課題組在柔性碳布（CC）基底上通過靜電紡絲的方法，將鉑納米粒子（Pt NPs）嵌入氮摻雜的碳納米纖維（NCNFs）中，製備出一種新型複合材料（Pt-NPs@NCNFs@CC）。與CO2電還原中常見的碳基材料不同，Pt-NPs@NCNFs@CC可一步成型，並直接作為工作電極用於電催化反應，無需粉末化等後處理過程。他們通過場發射掃描電鏡成像發現，Pt-NPs@NCNFs呈現三維納米網絡結構，並且這些納米纖維部分插入碳布基底中，能夠穩定地固定在碳布表面不會脫落。基於高解析度透射電鏡成像，他們發現絕大多數納米Pt顆粒均勻嵌入在納米纖維內部，其平均粒徑約為5 nm。作者還利用X射線光電子能譜分析發現Pt-NPs@NCNFs@CC主要含有C、N、Pt等元素，其中N元素以吡啶N為主，而Pt元素處於零價態。

為了評估Pt-NPs@NCNFs@CC對於CO2還原的電化學能力，作者進行了線性掃描伏安測試，發現Pt-NPs@NCNFs@CC電極的CO2還原起始電位僅為-0.4 VRHE，其過電勢低於大部分目前已經報導的催化劑。他們通過恆電位電解進一步檢測其CO2電還原活性，在-0.3至-0.8 VRHE的電解電位範圍內，甲酸是主要產物，並在-0.5 VRHE 時達到91%的最大法拉第效率。他們還在-0.5 VRHE恆定陰極電位下測試了Pt-NPs@NCNFs@CC的長時間電解性能，在長達30小時的測試過程中，其CO2還原的電流密度始終保持在40 mA•cm-2左右。根據對比實驗以及已有的報導，作者提出在Pt-NPs@NCNFs@CC催化過程中，CO2分子首先吸附在吡啶N附近的碳原子上，同時Pt表面產生Pt-H自由基，兩者結合形成*COOH中間體，該中間體進一步還原為甲酸。Pt-NPs@NCNFs@CC不但可用於CO2直接電還原，還可用於CO2與有機溴化物的電羧化反應，主要產物為2-苯基丙酸，產率（99%）和選擇性（>99%）甚至和均相金屬配合物催化劑相當。2-苯基丙酸是合成非甾體抗炎藥（NSAIDs）的關鍵中間體，具有較高的經濟價值。

值得注意的是，所有的反應都在常溫常壓下進行。不論是在CO2直接電還原還是在CO2電羧化反應中，Pt-NPs@NCNFs@CC都極易回收使用，用水簡單清洗後即可用於下一步反應，多次重複使用後，仍可保持原有的活性。因而Pt-NPs@NCNFs@CC催化劑具有實際應用的可能性。

相關成果以封底文章的形式發表在Chemical Communications 上，並得到國家自然科學基金，廣東省自然科學基金以及深圳市政府科技計劃項目的支持。文章的通訊作者為何傳新副教授，第一作者是楊恆攀博士。

該論文作者為：Heng-Pan Yang, Qing Lin, Han-Wen Zhang, Guo-Dong Li, Liang-Dong Fan, Xiao-Yan Chai, Qian-Ling Zhang, Jian-Hong Liu and Chuan-Xin He

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Platinum/nitrogen-doped carbon/carbon cloth: a bifunctional catalyst for electrochemical reduction and carboxylation of CO2 with excellent efficiency

Chem. Commun., 2018, 54, 4108, DOI: 10.1039/C8CC00969D

導師介紹

何傳新

http://www.x-mol.com/university/faculty/21916

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