近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所黃延強(qiáng)研究員、張濤院士團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)劉彬教授合作，開發(fā)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(guān)工作以共同通訊作者形式發(fā)表在《自然-能源》上（Nature Energy, 2018, 3, 140-147）。
二氧化碳電化學(xué)還原是實(shí)現(xiàn)碳資源循環(huán)的有效途徑。設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的催化劑以降低過電勢、提高反應(yīng)選擇性和穩(wěn)定性是CO2電化學(xué)還原研究的重點(diǎn)。單原子催化劑活性中心結(jié)構(gòu)清晰,且中心金屬電子結(jié)構(gòu)取決于相鄰配位原子間的相互作用，能夠表現(xiàn)出與均相催化劑相類似的性質(zhì)，進(jìn)而有望實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2分子的高效活化和定向轉(zhuǎn)化。因此，單原子催化劑在CO2電化學(xué)還原中展現(xiàn)出巨大潛力。
該團(tuán)隊(duì)采用高溫?zé)峤夂⑻加袡C(jī)物和Ni鹽混合物的方法，制備了一種氮摻雜石墨烯錨定的Ni單原子催化劑，利用多種表征手段證明：Ni與4個(gè)吡啶氮配位并形成了Ni-N4結(jié)構(gòu)，其中Ni為+1價(jià)，最外層電子結(jié)構(gòu)為3d9排布；Ni(I)單原子最外層的3d未成對(duì)電子易于離域化，能使部分電子從Ni3dx2-y2軌道離域，與吸附的CO2分子的2p軌道形成共價(jià)鍵，最終形成帶負(fù)電的Ni-CO2 -結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了CO2分子的高效活化。Ni單原子催化劑在CO2電化學(xué)還原反應(yīng)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能：在0.6V過電位下，達(dá)到350安培每克的比電流和14800h-1的轉(zhuǎn)換頻率，CO轉(zhuǎn)化具有97%的法拉第效率。在電流密度22mAcm-2下連續(xù)反應(yīng)100小時(shí)后，催化劑保持其初始活性的98%。相關(guān)研究成果為高效CO2電還原催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路。
該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。
