近日, 中國科學院大連化學物理研究所研究員黃延強, 中科院副院長, 中科院院士張濤團隊與新加坡南洋理工大學教授劉彬合作, 開發出一種氮摻雜石墨烯錨定的Ni單原子催化劑, 能夠作為二氧化碳還原的高效電催化劑. 相關研究成果以共同通訊作者形式發表在《自然-能源》上.
二氧化碳電化學還原是實現碳資源迴圈的有效途徑. 設計性能優異的催化劑以降低過電勢, 提高反應選擇性和穩定性是CO 2電化學還原研究的重點. 單原子催化劑活性中心結構清晰, 且中心金屬電子結構取決於相鄰配位原子間的相互作用, 能夠表現出與均相催化劑相類似的性質, 進而有望實現對CO 2分子的高效活化和定向轉化. 因此, 單原子催化劑在CO 2電化學還原中展現出巨大潛力.
該研究採用高溫熱解含氮, 碳有機物和Ni鹽混合物的方法, 製備了一種氮摻雜石墨烯錨定的Ni單原子催化劑, 利用多種表徵手段證明: Ni與4個吡啶氮配位並形成了Ni-N4結構, 其中Ni為+1價, 最外層電子結構為3d9排布; Ni(I)單原子最外層的3d未成對電子易於離域化, 能使部分電子從Ni3dx2-y2軌道離域, 與吸附的CO 2分子的2p軌道形成共價鍵, 最終形成帶負電的Ni-CO 2δ-結構, 從而實現了CO 2分子的高效活化. Ni單原子催化劑在CO 2電化學還原反應中表現出了優異的催化性能: 在0.6V過電位下, 達到350安培每克的比電流和14800h-1的轉換頻率, CO轉化具有97%的法拉第效率. 在電流密度22mA·cm-2下連續反應100小時後, 催化劑保持其初始活性的98%. 相關研究成果為高效CO 2電還原催化劑的設計提供了新思路.
該研究得到了國家重點研發計劃, 中科院戰略性先導科技專項和教育部能源材料化學協同創新中心的資助.
