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中科院福建物构所曹荣和黄远标研究团队在单原子催化剂高效电催化CO2领域取得新进展

钱冬梅 10月09日

来源:CBG资讯

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近年来,由于传统能源的大量使用导致大气中CO2的浓度急剧增加,进一步导致温室效应和环境气候恶化等问题,因此需要采取措施降低CO2的浓度。将CO2转化为可用的化学品是变废为宝的方法。利用可持续能源产生的电进行电催化CO2转化具有温和、环保等优点。然而,目前的方法仍然存在选择性不高、过电位高、电流密度小等缺点。因此,寻找合适的催化剂是关键。

单原子催化剂具有最大的原子利用率,在很多催化反应中表现出高活性、高选择性,然而不同的单原子金属催化剂活性有差别,原因仍然有待明确。最近,在科技部重点研发计划、基金委、中科院先导及前沿计划项目、中科院青促会优秀会员项目支持下,中科院福建物质结构研究所、结构化学国家重点实验室曹荣和黄远标研究团队采用之前该团队制备多孔卟啉基三嗪框架材料稳定的单原子的方法,制备了该载体稳定的Ni、Cu、Fe和Co等一系列单原子催化剂,并系统地研究了其电催化还原CO2的性能。相较于其它金属单原子催化剂,该团队所制备的Ni单原子催化剂在较宽的电压测试范围内,产CO法拉第效率均高于90%,且在-0.8 V 时选择性接近 100%(98%),在-1.2 V时,其TOF值高达 13462 h-1。计算结果表明,Ni和Fe催化剂的电化学电势要小于Co 和Cu催化剂,所以Ni 和 Fe 催化剂表现为更高的活性;而Ni催化剂对于HER的能垒比 CO2RR的高,所以很好地抑制了氢气的产生,而Fe催化剂解吸CO的能垒较高,因此Ni 催化剂表现出高的 CO2RR 能力。

该工作为设计合成高效的单原子非贵金属催化剂提供了新思路,为发展新的高效电催化剂提供了重要参考。相关研究结果发表于CCS Chem.(DOI: 10.31635/ccschem.019.20190011)。