浙大化工侯阳:多孔金属卟啉三嗪共价有机框架高效提升CO2电化学还原性能

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所周知近几十年来,由于大量化石燃料的燃烧等原因,大气中CO2的浓度急剧上升,环境问题日益严重。电催化CO2还原技术能够在常温常压条件下将CO2直接还原成CO及其它高附加值的化学品,极具研究价值和应用前景。基于此,开发一种稳定、高效、廉价的催化剂显得尤为关键。至今,贵金属类催化剂,过渡金属化合物类催化剂,非金属异质原子掺杂的碳基催化剂等被广泛研究,在众多报道的催化剂中,原子级分散的过渡金属碳基电催化剂由于其原子利用率高,催化中心明确,催化效率高等特性而备受关注。然而,原子级过渡金属在催化反应过程中非常不稳定且不易大规模制备,同时目前的研究对于不同种类的过渡金属在特定的环境下(配位原子、配位数等)对电催化CO2还原性能的影响还不够清晰透彻。因此,开发稳定且高效的原子级分散的过渡金属碳基催化剂对于推动电催化CO2还原领域的发展具有重大意义。此外,通过合成一系列不同种类的过渡金属碳基催化剂并系统的研究其催化性能差异,对催化剂的合理设计将提供重要的指导作用。

近日,浙江大学化工学院侯阳研究员和澳洲阿德莱德大学王少彬教授在原子级分散的过渡金属碳基材料电催化CO2还原反应的研究上取得重要进展。他们首先选取4-氰基苯甲醛作为构筑单元之一合成富含-CN基的卟啉单体,进一步通过离子热法将其作为载体来锚定FeNiCo等系列过渡金属,最终合成了一系列的原子级过渡金属分散的碳基催化剂(Mn/Fe/Co/Ni/CuPTFs-600)。该类催化剂比表面积大(977m2g-1),催化活性中心暴露充分,有利于催化反应的进行。同时由于合成单体的巧妙选择,该方法合成的催化剂氮掺杂含量较高,对反应过程中CO2的吸附和活化过程十分有利,与氮配位的过渡金属作为活性中心,能够高效的将CO2转化为CO


电催化CO2还原性能研究表明,在所制备的五种催化剂中,FePTFs-600能在较低的电势下实现高的CO选择性(0.34 V90.9%),同时,NiPTFs-600在较高的电势下表现出更优异的CO选择性(0.8 V97.6%),且具有较宽的电势窗口(0.55 -0.95 V范围内选择性均高于90%),其电催化性能优越于先前报道的以原子级分散的Ni-N结构为基础的碳基催化剂。结合电化学活性面积、交流阻抗以及反应动力学进行分析,Ni-N结构在电催化CO2还原方面反应速率更快,催化活性更高,相较于其它过渡金属-N结构有更明显的优势。


该研究工作不仅对电催化CO2还原反应指明了新的方向,还对制备原子级分散的过渡金属-氮结构为基础的纳米碳材料具有一定的指导作用。相关工作已发表于Applied Catalysis BEnvironmental (DOIhttps://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.118908) 上。



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