离子液体限域增强单原子催化学术资讯

来源：X一MOL资讯

利用可再生能源直接电催化CO2还原可以将温室气体CO2转换为高附加值的产物如CO、乙醇、乙烯等。这个过程相当于燃烧的逆反应，从而有希望实现碳中性的能量循环。然而，CO2还原从动力学上看是一个多电子反应且产物复杂，如何实现高效电催化CO2还原是一个亟待解决的问题。而解决这个问题的关键需要从催化剂和电解质两部分着手。

单原子催化剂（SACs）相比于传统催化剂而言有十分明显的优势，比如充分暴露的活性位点、高度的选择性以及最大化的原子利用率。因此，这类材料在催化化学领域如水分解、氧还原、CO2还原等重要反应中被广泛的研究，被认为是最具前景的催化材料之一。然而，单原子位点对某一反应的高选择性决定了其对于其它反应的低选择性。对于一些复杂的电催化反应（如CO2还原），其不仅需要多步的电催化过程而且中间产物复杂，简单的单原子位点难以对每一步反应都保持高效选择性。因此，开发简单、高效的协同策略来增强单原子的催化选择性和活性变得十分重要。然而，目前对于SACs的修饰改性仍十分具有挑战。

离子液体是一类环境友好的绿色溶剂和电解液，它有可调节的化学性质和较高的CO2溶解度，同时还可对CO2还原协同催化，已经在在CO2捕集和还原中得到了广泛的应用。然而离子液体普遍具有高粘度、低导电率和价格昂贵的特点，导致其直接在CO2电解槽里作为电解液使用时会出现低传质效率、高系统内阻和能耗，导致较低的转换效率和高昂的成本。图1. 离子液体限域策略（上）和CO2RR性能对比（下）。

近日，新南威尔士大学赵川团队提出了一种离子液体限域的单原子催化路线用于水系电解液中的CO2电还原。该团队使用多孔的单原子Ni-N-C为催化剂模板，成功的将疏水性的离子液体灌入到其纳米孔洞中，从而形成了离子液体与单原子催化剂的纳米固液界面。该设计可对SACs进行了修饰改性，同时纳米限域有效解决了离子液体电解液的低传质和导电性等问题，成功应用于增强水系电解液中的电催化CO2还原。该工作系统地从催化剂表征、CO2RR性能以及催化机理三个方面研究了离子液体与单原子催化剂的协同催化作用。这种协同效应包括：i）离子液体中的阳离子[BMIM]+能够极大程度上降低CO2(g) → COOH*的反应能垒，从而促进关键中间产物COOH*的形成；ii）离子液体相比水而言具有非常高的CO2溶解度，因此能增强反应过程中的CO2输运。基于此，Ni-N@ILs展现出优异的CO选择性（98% at -0.7 V vs RHE）、高的电化学活性（66.1 mA cm-2 at -1.0 V）以及出色的结构稳定性。最重要的是，该离子液体限域策略有望被延伸到其它材料的设计合成中，并且应用于其它复杂的电催化应用中，如氧还原、氮还原等。

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