二氧化碳催化轉(zhuǎn)化進(jìn)展：過渡金屬-氮-共摻雜型多

 　　【引言】

　　化石能源(煤、石油、天然氣等)的大量消耗使溫室氣體如二氧化碳(CO2)排放量急劇增加，引起全球氣候變暖等日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題。通過電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化，采用可再生的風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電或富余核電等潔凈電能為能源，在常溫、常壓條件下將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的資源化利用和潔凈電能的有效存儲(chǔ)，極具應(yīng)用前景。如何獲得高活性、高選擇性催化劑進(jìn)而有效獲得高附加值的化學(xué)品是二氧化碳電催化轉(zhuǎn)化研究中的熱點(diǎn)課題。

　　二氧化碳還原產(chǎn)物包括一氧化碳(CO)、甲酸、甲醇、乙醇等碳?xì)浠衔锶剂霞盎瘜W(xué)品。與碳?xì)浠衔?甲烷、甲醇等)產(chǎn)物相比，二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳僅需要兩個(gè)電子轉(zhuǎn)移，其實(shí)現(xiàn)更為容易。所得一氧化碳與伴隨析氫反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可作為原料進(jìn)一步通過費(fèi)托合成獲得碳?xì)淙剂稀鹘y(tǒng)電催化CO2還原常用的催化劑為Ag、Au、Cu及其合金。近年來?yè)诫s型(如氮摻雜、金屬摻雜)多孔碳材料作為二氧化碳電催化還原催化劑引起了研究人員的廣泛興趣。雖然單純氮摻雜多孔碳表現(xiàn)出一定的活性，但是研究人員發(fā)現(xiàn)在氮摻雜的基礎(chǔ)上加入過渡金屬后，活性明顯提高。但是對(duì)于該過渡金屬-氮-碳(M-N-C)類型對(duì)二氧化碳催化活性及選擇性的機(jī)理性認(rèn)識(shí)尚不明確。

　　【成果簡(jiǎn)介】

　　基于此，德累斯頓工業(yè)大學(xué)郝廣平博士(共同通訊)、柏林工業(yè)大學(xué)Peter Strasser教授(共同通訊)、丹麥哥本哈根大學(xué)Jan Rossmeisl教授(共同通訊)研究組合作，以一系列過渡金屬-氮-碳(M-N-C，M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)材料為模型催化劑，通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算系統(tǒng)研究了該M-N-C類型催化劑在二氧化碳還原成一氧化碳過程中的活性與選擇性，發(fā)現(xiàn)高分散的金屬-氮配位中心為活性位，對(duì)該類型材料的開發(fā)具有指導(dǎo)性意義。該工作近期發(fā)表于Nature Communications，第一作者為Wen Ju，Alexander Bagger(共同一作)。

　　圖1. 一系列過渡金屬-氮-碳(M-N-C, M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)電催化二氧化碳還原催化劑的形貌、多孔結(jié)構(gòu)表征及微區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2. 一系列過渡金屬-氮-碳(M-N-C, M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu) 電催化二氧化碳還原催化劑的XPS表征

　　圖3. 該M-N-C (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)系列電催化二氧化碳還原催化劑的活性分析

　　圖4. M-N-C (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)電催化二氧化碳還原催化劑的選擇性研究

　　圖5. 實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)合解析M-N-C (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)電催化二氧化碳還原催化劑的活性與選擇性規(guī)律

　　文獻(xiàn)鏈接：Wen Ju*, Alexander Bagger*, Guang-Ping Hao, et al. Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2. Nature Communications, 2017, 8, 944.