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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料與能源小分子轉(zhuǎn)化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)在無金屬氮摻雜碳電催化還原CO2研究中取得新進(jìn)展，通過可控合成含有不同氮物種及摻雜量的氮摻雜碳材料，揭示了石墨氮調(diào)控的近鄰碳是電催化還原CO2制CO的活性位點(diǎn)。該工作為深入認(rèn)識(shí)電催化還原CO2的機(jī)制，以及理性設(shè)計(jì)催化劑提供了借鑒。
利用可再生能源將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品是降低碳排放和緩解化石資源短缺的一個(gè)有效策略。CO是一種重要的化工合成原料，因此電催化還原CO2制CO是CO2有效利用的一條重要途徑。氮摻雜碳材料具有良好的導(dǎo)電性和易于調(diào)變的電子特性，在電催化還原CO2制CO中展現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能。但目前由于缺少可控的摻雜氮物種的制備方法，對(duì)氮摻雜碳活性位點(diǎn)的認(rèn)識(shí)仍存在爭(zhēng)議。
大連化物所揭示氮摻雜碳材料電催化還原二氧化碳的活性位點(diǎn)
鄧德會(huì)研究團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期深入研究石墨烯限域單原子催化劑的基礎(chǔ)上（Sci. Adv. 2015, 1, e1500462; Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 218; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6708; Nano Energy 2017, 32, 353; Chem 2018, 4, 1902; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16339; Chem. Rev. 2019, 119, 1806; Adv. Mater. 2019, 31, 1901996），創(chuàng)新地利用氧化硅球模板輔助熱解酞菁分子的方法，可控地制備了一系列含有不同氮物種和摻雜量的氮摻雜泡沫碳催化劑。電化學(xué)活性測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于吡啶氮和吡咯氮含量相對(duì)高的樣品，石墨氮含量高的樣品顯示了最高的CO選擇性，在-0.5 V vs. RHE時(shí)，CO法拉第效率高達(dá)95%。理論計(jì)算研究顯示，石墨氮近鄰碳原子位點(diǎn)上的電催化CO2還原到CO的過電位，顯著低于電解水析氫（HER）的過電位，從而可以有效促進(jìn)CO2還原；吡啶氮本身由于對(duì)H*的強(qiáng)吸附而被阻塞，而在吡啶氮附近碳原子上的HER反應(yīng)過電位比CO2還原的更低；吡咯氮對(duì)兩種反應(yīng)均無明顯促進(jìn)效果。因此，相比于吡啶氮和吡咯氮，石墨氮的引入有效地促進(jìn)了其近鄰碳原子催化CO2還原制CO的催化活性。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。上述工作得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)B科技專項(xiàng)、中科院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金項(xiàng)目、教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（2011.iChEM）等的資助。
