近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室包信和院士和汪國雄研究員團隊在二氧化碳高效電催化還原研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《能源和環(huán)境科學(xué)》（Energy Environ. Sci.）上。
二氧化碳電催化還原反應(yīng)（CO2RR）可同時實現(xiàn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化利用和可再生清潔電能的有效存儲，利于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的碳資源循環(huán)利用網(wǎng)絡(luò)。近年來，該研究團隊從催化基礎(chǔ)角度開展了有特色和深入系統(tǒng)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(wěn)定性（J. Am. Chem. Soc.，Chem. Sci.，J. Am. Chem. Soc.，ACS Catal.，Angew. Chem. Int. Ed.）。
過渡金屬-氮-碳復(fù)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于該類材料的可控制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-碳復(fù)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(yīng)(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-碳復(fù)合材料面臨的重要挑戰(zhàn)。
大連化物所二氧化碳高效電催化還原研究取得新進(jìn)展
在本研究中，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), 成功制備出配位不飽和Ni-N位點摻雜的多孔碳材料，其中單分散的Ni物種負(fù)載量最高可達(dá)5.44 wt%。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(qū)間內(nèi)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(dá)到71.5 2.9mA/cm2。表征結(jié)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(jìn)一步揭示在NiN2V2 (V表示空位) 位上CO2RR比HER更容易發(fā)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(xiàn)了CO2RR的高電流密度和法拉第效率，打破了過渡金屬-氮-碳復(fù)合材料上CO2RR選擇性和反應(yīng)速率的“蹺蹺板”效應(yīng)限制。
上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、DMTO和中科院先導(dǎo)專項等項目的資助。
