快速原位合成In-MOF電極用於電化學CO2還原生成甲酸

2020-10-13 X一MOL資訊

本文來自微信公眾號：X-MOLNews

金屬有機框架（MOF）化合物具有無限的金屬位點和孔結構，在催化領域有非常好的應用。MOF的孔道非常有利於CO2分子的吸附，在電化學還原CO2領域有巨大潛力。但是MOF作為電極材料也存在諸多問題：第一，MOF的導電性較差，MOF和基底之間有較大界面電阻。第二，MOF中的金屬離子在負電位下極易被還原成金屬單質。第三，配位飽和的MOF催化能力較弱。


為了解決這個問題，曼徹斯特大學團隊發明了一種在金屬箔上快速生長MOF的方法。利用醋酸根離子液體為支持電解質，成功在銦箔上10分鐘內生長出MFM-300(In)-e。該方法成功解決了以上三個問題。第一，得到的MFM-300(In)/In電極中MOF和金屬基底結合非常強，顆粒分散均勻，增強了反應過程中的電荷轉移。第二，MFM-300(In)非常穩定，與其他In-MOF和氧化物相比，在負電位下可以保持MOF結構而不被還原為In單質。第三，形成的MOF電極有一定的缺陷，提高了催化活性。

圖1. MFM-300(In)-e的製備與表徵


在離子液體乙腈電解質中，利用MFM-300(In)-e/In電極在-2.15 V vs Ag/Ag+條件下產生的電流密度為46.1 mA cm-2，甲酸法拉第效率高達99.1%。通過Qst、原位紅外和DFT分析，電合成的MFM-300(In)-e和CO2之間有非常強的相互作用。與傳統熱合成方法製備的MFM-300(In)-t/CP電極相比，MFM-300(In)-e/In電極在相同條件下可以產生更多的•COOH自由基，促進甲酸的高效合成。


這一成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是英國曼徹斯特大學康欣晨博士。該論文通訊作者為英國曼徹斯特大學楊四海教授、Martin Schröder教授以及中國科學院化學研究所韓布興院士。

Quantitative Electro-Reduction of CO2 to Liquid Fuel over Electro-Synthesized Metal-Organic Frameworks

Xinchen Kang, Bin Wang, Kui Hu, Kai Lyu, Xue Han, Ben F. Spencer, Mark D. Frogley, Floriana Tuna, Eric J. L. McInnes, Robert A. W. Dryfe, Buxing Han*, Sihai Yang*, Martin Schröder*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05913

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