新型CO2還原電催化劑製備成功

2020-09-03 中國化工報

　　CO選擇性99.5%以上 接近工業應用要求

　　8月26日，南方科技大學材料科學與工程系梁永曄教授在接受記者採訪時表示，梁永曄科研團隊開發了一種分子分散電催化劑體系，並採用分子工程調控的方法，構建了基於金屬酞菁的高性能二氧化碳(CO2)還原電催化劑。

　　CO2電催化還原，因可以使用來自可再生能源的電能、在常溫常壓的反應條件下將CO2一步轉化為高附加值碳基燃料及化學品，是一種非常有應用前途的技術。據梁永曄介紹，他們開發的基於金屬酞菁的高性能CO2還原電催化劑，能夠使得一氧化碳(CO)產物選擇性在大電流密度下接近100%，接近工業CO2還原的要求。

　　「將CO2還原為重要的工業原料CO是相對較成熟的技術，目前反應選擇性與能量轉換效率比其他產物的轉化效率高。但在實際應用中仍需要解決大電流密度工作條件下的產物選擇性、穩定性以及系統成本過高的問題。」梁永曄表示。

　　此前有研究表明，酞菁鈷(CoPc)等金屬大環配合物分子在氣體擴散電極下可將CO2催化轉化為CO。然而，金屬大環配合物分子本身的導電性差且易聚集，制約了其CO2電催化還原性能，對其結構與性能關係認識不足也制約了催化劑性能的進一步優化。

　　「針對以上問題，我們發現將金屬酞菁分子均勻負載於碳納米管載體上，形成分子分散電催化劑(MDE)，能夠提高CO2還原催化性能。通過對比3種過渡金屬(Fe、Co、Ni)酞菁的催化性能，我們發現酞菁鎳體系(NiPc MDE)具有較高的CO選擇性，但催化穩定性較差。」梁永曄介紹說，他們使用分子工程手段，通過在酞菁環上引入不同的取代基來調控其催化性能。

　　研究團隊將甲氧基(OMe)引入，製備出NiPc-OMe MDE催化劑，不僅可提高催化穩定性，還進一步提高了CO選擇性。該催化劑應用於氣體擴散電極，在10~300mA/cm2的還原電流密度內，CO產物選擇性達到99.5%以上，還能夠穩定工作40小時。

　　「NiPc-OMe MDE的催化性能接近工業CO2還原的要求，具有產業化的前景。」梁永曄表示，目前來看，工業化CO2還原還受兩方面因素制約。一方面，目前測試的電流密度以及工作時間受到器件工藝的限制，仍需進一步優化;另一方面，CO2電催化還原成CO的成本受電價等影響較傳統化工方法要高。但從長遠來看，碳排放問題已引起了各界人士的高度重視。化石燃料的過量使用導致大氣中CO2濃度升高，帶來了一系列環境問題。國際上也已經制定相關政策以降低碳的排放，從這個角度看，電催化CO2還原為碳基燃料和化工原料是解決以上問題的潛在途徑。

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