【催化】中科院化學研究所胡勁松課題組揭示碳基納米催化劑電催化還原二氧化碳的活性機制

2021-03-01 CBG資訊

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利用可再生能源在溫和可控的條件下電催化還原轉化二氧化碳為有用燃料和化學品是能源化學的重要前沿，具有廣闊的應用前景。其核心挑戰是開發高性能二氧化碳還原反應（CO2RR）的電催化劑，提高目標產物產率和實現高選擇性。

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最近，在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中科院化學研究所胡勁松課題組在氮摻雜碳類CO2RR催化機制研究方面取得重要進展，發展了顯著提高其性能的新策略。氮摻雜碳基納米材料作為廉價非金屬CO2RR催化劑備受關注，但因其結構複雜，難以精確控制，導致對其催化活性位點的認識仍存在較大爭議，催化性能也亟待大幅提升。利用結構明確的小分子作為模型催化劑是明晰其催化機制的有效手段，但小分子自身的催化活性低，實驗誤差大，難以給出可信結果。研究人員發現將含氮小分子模型催化劑（酞菁（Pc）和四苯基卟啉（TPP），圖a）與超小鈷納米晶（圖b，c）結合，可以顯著提升其催化CO2RR的選擇性（法拉第效率，圖d）和活性（電流密度，圖e）（-0.9V下分別提升18和47倍）。這种放大效應使利用模型小分子揭示氮摻雜碳類材料的催化機製成為可能。實驗結果與理論計算表明CO2RR優先發生在吡啶氮而不是吡咯氮上（圖f-h）；而且金屬態鈷可以顯著降低吡啶氮上CO2RR決速步驟的能壘，從而提升其催化性能（圖i）。電化學實驗進一步證實含吡啶氮的酞菁分子催化CO2RR的活性和選擇性都比只含吡咯氮的卟啉分子在相同氮含量下高出數倍（圖j）。這些結果揭示了氮摻雜碳類催化劑中吡啶型氮碳位點電催化還原CO2性能明顯高於吡咯氮摻雜碳位點，並且通過調控吡啶型氮碳位點電子結構可以顯著提升其催化活性與選擇性。


（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

 

該研究工作為合理設計高效、低成本CO2RR碳基電催化劑提供了有益的參考，相關結果發表於德國應用化學（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.201916520），並被選為VIP論文。論文第一作者是博士生何超。

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