苏州大学彭扬课题组综述:金属-有机配位结构与界面调控电催化二氧化碳还原

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DOI: 10.1016/S1872-2067(21)63980-3

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前言


近日,《催化学报》在线发表了苏州大学彭扬教授团队在电催化二氧化碳还原领域的最新综述文章。该工作综述了金属-有机配位结构与界面调控用于电催化二氧化碳还原的研究。论文共同第一作者为:吕奉磊,花伟,论文通讯作者为:彭扬教授。

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背景介绍


电催化二氧化碳还原(CO2RR)利用可再生能源(如太阳能和风能)将CO2转化为燃料和高附加值化学品,因而被广泛认为是“一石二鸟”的绿色技术来解决能源与环境问题。然而,CO2RR的大规模应用仍严重受限于缺乏高效稳定的CO2RR 催化剂。非均相分子催化剂和金属-有机框架因具有明确的结构且金属中心和配体可以调节与修饰,在CO2RR的基础研究和实际应用中都展现出巨大潜力。本综述总结了这些具有明确结构的金属-有机配位化合物的结构与界面调控应用于二氧化碳还原领域的工作。

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本文亮点


本文首先介绍CO2RR的基础电化学和催化剂的评价指标,然后重点总结近期非均相分子催化剂、金属-有机框架中金属中心、配体、催化剂-载体相互作用以及催化剂原位重构等方面的重点工作。最后根据目前研究依然面临的问题,本文总结和展望该领域未来应关注的方向,希望借此激发本领域科学家们关于高效CO2RR催化剂设计与合成的原创性思考。

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图文解析



▲图1. 用于CO2RR的非均相分子催化剂和MOF的结构和界面工程示意图。

要点:
非均相分子催化剂和MOFs的结构和界面工程包括金属中心的调控、配体的调控、催化剂-载体相互作用以及催化剂的原位重构。

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全文小结


1.与金属、金属氧化物和金属-氮-碳等催化剂相比,非均相分子催化剂和MOFs具有明确的结构及精确可调的金属中心和配体,为在分子水平理解构效关系提供理想平台。
2.目前,具有不同金属中心(Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)以及配体(酞菁和卟啉)的分子催化剂的MOFs展现出较好的CO2RR性能。调控催化剂-载体相互作用以抑制团聚和提高导电性能够提高分子催化剂的活性和稳定性。制备导电MOFs、引入活性位点或促进剂,以及可控重构原始MOFs也为开发高性能CO2RR电催化剂带来巨大机遇。
3.未来展望:(1)具有精准结构和界面工程的新分子、MOFs和载体的定向合成;(2)面向大规模应用非均相分子催化剂和 MOFs的可控构筑;(3)追踪和调控催化剂的重构;(4)对结构-性质关系进行更深入的解析。

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作者介绍


彭扬,苏州大学教授,能源学院副院长,国家四青人才。团队主要研究方向:功能化金属有机化合物二氧化碳资源化利用研究。近几年,团队依托江苏省先进碳材料与可穿戴重点实验室、苏州市低碳技术与产业化重点实验室,探究金属有机配合物的结构组装与微观调控对CO2分子活化与催化转化的影响。1)团队初期通过模拟酶级联反应,精准调控材料几何与电子结构,构建多相金属纳米催化剂,并建立CO2电还原串联催化微反应体系,分步调节迈向深度特定还原产物的关键步骤,从而实现了目标产物的高效率与高选择性催化转化,逐步建立起CO2催化转化的评价体系(Nat. Commun. 2019, 10, 3782;Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2508(Hot Paper);Adv. Mater. 2021, 33, 2101741)。2)自主搭建起原位表面增强红外光谱、原位拉曼光谱、原位差分电化学质谱等原位表征技术平台,并逐步建立起与同步辐射、理论计算相关方向团队之间的合作(Adv. Mater. 2020, 32, 2006784;Chem. Mater. 33, 2021, 4135;J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 3941)。3)近期,团队利用具有连续π轨道的共轭配体以及金属与配体间的强氧化还原作用构筑了新型的导电MOFs(Nat. Commun. 2021, 12, 6823),进一步将纳米金针原位生长并填充到铜基MOF孔道中,改变电荷传导路径使其结构和催化稳定性均得以提升(Nat. Commun. 2022, 13, 63),建立起MOFs在反应过程中结构衍变与催化性能之间的构效关系。

课题组链接:
http://catalysis.energy.suda.edu.cn/main.htm

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文献信息


Fenglei Lyu, Wei Hua, Huirong Wu, Hao Sun, Zhao Deng, Yang Peng *, Chin. J. Catal., 2022, 43: 1417–1432 


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