近日, 中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室包信和與汪國雄團隊在二氧化碳高效電催化研究中取得新進展, 相關結果發表在《能源和環境科學》 (Energy Environ. Sci.) 上.
二氧化碳電催化還原反應 (CO2RR) 可同時實現二氧化碳的轉化利用和可再生清潔電能的有效存儲, 利於構建可持續發展的碳資源迴圈利用網路. 近年來, 該研究團隊從催化基礎角度開展了有特色和深入系統的CO2電催化還原研究, 在納米Pd基催化劑, 金屬-氧化物界面等方面取得了一系列研究成果, 顯著提高了CO2電催化還原的選擇性, 活性和穩定性 (J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Catal., Angew. Chem. Int. Ed.) .
過渡金屬-氮-碳複合材料是一類有望替代貴金屬的電催化材料, 該研究團隊近期致力於該類材料的可控製備及其電催化性能研究 (Energy Environ. Sci., Nano Energy, ACS Catal.) . 前期研究表明, 過渡金屬-氮-碳複合材料可將CO2電催化還原生成CO, 但隨著過電勢增加, 競爭性的析氫反應(HER)電流急劇增大, 造成CO法拉第效率迅速下降, 很難獲得高的CO分電流密度. 因此同時獲得高的CO2RR電流密度和法拉第效率是過渡金屬-氮-碳複合材料面臨的重要挑戰.
在該研究中, 該研究團隊通過熱解鋅/鎳雙金屬沸石咪唑類骨架材料(ZIF-8), 成功製備出配位不飽和Ni-N位點摻雜的多孔碳材料, 其中單分散的Ni物種負載量最高可達5.44wt%. 在該Ni-N催化劑上, CO法拉第效率在-0.53V~-1.03V (vs. RHE) 寬電勢區間內維持在92.0%~98.0%之間, CO電流密度隨過電勢增加而增加, 在-1.03V (vs. RHE) 達到71.5±2.9mA/cm2. 表徵結果和對比試驗表明配位不飽和的Ni-N為活性位點; 密度泛函理論計算進一步揭示在NiN2V2 (V表示空位) 位上CO2RR比HER更容易發生, 推測NiN2V2可能是CO2RR的活性位. 因此, 高載量配位不飽和Ni-N活性位同時實現了CO2RR的高電流密度和法拉第效率, 打破了過渡金屬-氮-碳複合材料上CO2RR選擇性和反應速率的 '蹺蹺板' 效應限制.
上述研究工作得到了國家自然科學基金, 國家重點研發計劃, DMTO和中科院先導專項等的資助.
